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UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ
Marco Antonio Medeiros dos Santos
ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA PARA UTILIZAÇÃO DE INSUMOS ALTERNATIVOS EM UM SISTEMA DE
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO-ADSORTIVO APLICADO AO CONDICIONAMENTO DE AR
Dissertação apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté, para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Área de concentração: Energia e Gestão Ambiental na Indústria Orientador: Prof. Dr. José Rui Camargo
Taubaté 2005
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MARCO ANTONIO MEDEIROS DOS SANTOS
ANÁLISE TÉCNICA E ECONÔMICA PARA UTILIZAÇÃO DE INSUMOS ALTERNATIVOS EM UM SISTEMA DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO-
ADSORTIVO APLICADO AO CONDICIONAMENTO DE AR
Dissertação apresentada ao Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Taubaté, para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica. Área de concentração: Energia e Gestão Ambiental na Indústria
Data: 1º de Julho de 2005
Resultado: ___________________
BANCA EXAMINADORA
Prof. Dr. José Rui Camargo Universidade de Taubaté
Assinatura: _________________________
Prof. Dr. Sebastião Cardoso Universidade de Taubaté
Assinatura: _________________________
Prof. Dr. Carlos Daniel Ebinuma Universidade _______________
Assinatura: _________________________
DADOS CURRICULARES
MARCO ANTONIO MEDEIROS DOS SANTOS NASCIMENTO: 27.09.1966 – CAÇAPAVA – SP.
FILIAÇÃO: José Medeiros dos Santos
Amélia Blache dos Santos
1985/1989 Curso de Graduação em Engenharia Mecânica
Universidade de Taubaté – UNITAU
2003/2005 Curso de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, nível de Mestrado
no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de
Taubaté - UNITAU. PRODUÇÃO CIENTÍFICA:
SANTOS M. A. M., CAMARGO J. R., GODOY E. Jr. Análise técnica e econômica do uso de
água pluvial e de calor residual para condicionamento de ar. Anais do IV Simpósio
Internacional de Qualidade Ambiental, ABES, Porto Alegre-RS, 2004.
Aos meus pais José e Amélia, com amor, admiração e gratidão
pelos anos em que dedicaram seus esforços para minha
formação moral, espiritual e acadêmica.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. José Rui Camargo, pela atenção, definição e orientação nesse trabalho, pela
paciência, ajuda incondicional e conhecimentos transmitidos na área de energia e termodinâmica;
Ao Prof. Ederaldo Godoy Jr., pela motivação, atenção e conhecimentos transmitidos,
principalmente, na área de conservação de energia e aproveitamento de água pluvial;
Ao Prof. Dr. Sebastião Cardoso, pelo incentivo, correções técnicas e conhecimentos
transmitidos na área térmica, fenômenos de transportes e trocadores de calor;
Ao Prof. Dr. Carlos Daniel Ebinuma, pela atenção, correção e colaboração nos resultados
da minha qualificação e pelas sugestões de melhoria nesse trabalho;
A todos os professores da turma de mestrado do Departamento de Engenharia Mecânica
da Universidade de Taubaté, sub-área de Energia e Gestão Ambiental na Indústria;
Aos amigos de trabalho, em especial Cleber Moreira Corrêa, Antonio Carlos Orbolato,
pelos ensinamentos e incentivo ao longo desses anos, Antonio Baú Segarra pela motivação e
incentivo no meu ingresso ao mestrado, Carlos Alberto Ribeiro e Francisco João Pereda de
Ponce pela confiança depositada nesses anos de profissão;
À Johnson & Johnson pela formação profissional e consciência pelo meio ambiente e
conservação de energia;
À memória do Sr. Mauro Moreira Marialva pela oportunidade que me deu em trabalhar na
área de Utilidades e Energia na Johnson & Johnson, departamento esse que se destaca pela
competência e profissionalismo, características marcadas em sua administração.
“Recomeçar sempre. Melhorar sempre. Não ter paz, enquanto
cada dia não se tornar um degrau mais alto na união com Deus, em
relação ao dia precedente... e fazer da vida uma escalada.”
Chiara Lubich
SANTOS, MARCO A. M. Análise técnica e econômica para utilização de insumos
alternativos em um sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo aplicado ao
condicionamento de ar. 2005. 83 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) –
Universidade de Taubaté – UNITAU, Taubaté-SP.
RESUMO
Este trabalho desenvolve o estudo da utilização de insumos alternativos em um sistema de
condicionamento de ar eco-eficiente, composto por um sistema evaporativo-adsortivo associado a
um sistema de aproveitamento de água pluvial e do calor residual de processo. Os sistemas de
resfriamento evaporativo utilizam a evaporação da água através da passagem de um fluxo de ar,
reduzindo a temperatura de bulbo seco do ar. São sistemas com grande potencial de utilização em
locais onde a umidade do ar é baixa. Em um ambiente industrial, situado em regiões onde a
umidade relativa do ar é alta, esse sistema pode utilizar desumidificadores de ar acionados pelo
calor residual de processo, tornando-se bastante eficiente para o conforto humano. O sistema
proposto utiliza água pluvial nos resfriadores evaporativos e analisa a possibilidade de uso de gás
natural, vapor, condensado de vapor de processo e gases de combustão de caldeira como fonte
de reativação do material adsorvente. O sistema proposto é bastante conveniente, uma vez que é
econômico energeticamente, aproveita a água de chuva coletada e o calor residual do processo.
PALAVRAS-CHAVE: Sistema evaporativo-adsortivo, Água de chuva, Calor residual,
Resfriamento evaporativo, Desumidificação por adsorção, Conforto térmico.
SANTOS, MARCO A. M. Technical and economical analysis for use of alternatives
utilities in an evaporative system and desiccant cooling system applied to air
conditioning. 2005. 83 f. Dissertation (Master’s degree of Mechanical Engineering) –
University of Taubaté – UNITAU, Taubaté-SP.
ABSTRACT
This work develops the study of the use of alternatives utilities in an echo-efficient air conditioning
system, composed by an evaporative-desiccant system associated to a system that uses pluvial
water and residual heat of process. The evaporative-desiccant system uses the evaporation of
water through the passage of an air flow reducing the dry bulb temperature. These systems have
great potential to the use in places where the humidity of air is low. In an industrial environment,
situated in regions where the relative humidity of air is high, this system can use dehumidifiers of air
employing residual heat of process, becoming quite enough efficient for the human comfort. The
proposed system uses pluvial water in the evaporative-desiccant system and analyzes the
possibility for use of the natural gas, steam, condensate steam of process and gases of combustion
of boiler as source of reactivation of the material desiccant. The proposed system is quite
convenient, since saving energy, they use the collected rain water and the residual heat of the
process.
KEYWORDS: Evaporative cooling, Desiccant dehumidification, Thermal comfort, Rainfall
LISTA DE FIGURAS FIGURA 2.1 - Sistema de resfriamento evaporativo com aspersão 25
FIGURA 2.2 - Sistema de resfriamento evaporativo através de colméia 26 FIGURA 2.3 - Resfriador evaporativo tipo spray com circulação constante de água 27 FIGURA 2.4 - Resfriador evaporativo indireto: (a) tipo placa, (b) tipo tubo 27
FIGURA 2.5 - Desumidificador tipo torre 29 FIGURA 2.6 - Desumidificador tipo cilindro rotativo 29 FIGURA 2.7 - Resfriamento evaporativo com pré-desumidificação por adsorção 30 FIGURA 2.8 - Sistema de resfriamento evaporativo acoplado a um desumidificador 32 FIGURA 2.9 - Processos psicrométricos para o sistema proposto 32 FIGURA 3.1 - Esquema de aquecimento do ar de Reativação 34 FIGURA 3.2 - Índice Pluviométrico. Fonte: Inmetro http://www.inmet.gov.br/ 42 FIGURA 3.3 - Filtro Volumétrico e filtro para descida do tubo vertical 44 FIGURA 3.4 - Freio d´água, conjunto flutuante de sucção e sifão-ladrão 44 FIGURA 4.1 - Amortização dos investimentos dos SISREAD´s sem aproveitamento da
água de chuva 63 FIGURA 4.2 - Amortização dos investimentos dos SISREAD´s com aproveitamento da
água de chuva 64 FIGURA 4.3 - Retorno de investimento dos SISREAD´s sem aproveitamento da água de
chuva 65 FIGURA 4.4 - Retorno de investimento dos SISREAD´s com aproveitamento da água de
chuva 65 FIGURA 4.5 - Retorno de investimento do Caso VI em relação ao Caso I 66 FIGURA 4.6 - Retorno de investimento dos SISREAD´s sem aproveitamento da água de
chuva (apenas para fonte de calor) 67 FIGURA 4.7 - Retorno de investimento dos SISREAD´s com aproveitamento da água de
chuva (apenas para fonte de calor) 68
LISTA DE TABELAS TABELA 3.1 - Precipitações de chuvas em mm 43 TABELA 3.2 - Dimensionamento do Reservatório de água 43 TABELA 4.1 - Características técnicas do “self contained”, fonte “Spring Carrier” 46 TABELA 4.2 - Resumo dos Investimentos para um sistema de condicionamento de ar
10,8 TR 48 TABELA 4.3 - Resumo dos Investimentos para SISREAD com energia elétrica para
reativação 51 TABELA 4.4 - Resumo dos Investimentos para um SISREAD com gás natural para
reativação 53 TABELA 4.5 - Resumo dos Investimentos para um SISREAD com vapor para
reativação 55 TABELA 4.6 - Resumo dos Investimentos para SISREAD com condensado de vapor
para reativação 57 TABELA 4.7 - Resumo dos Investimentos para SISREAD com gases de combustão
para reativação 59
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers
RED resfriador evaporativo direto
REI resfriador evaporativo indireto REIR resfriador evaporativo indireto regenerativo SISREAD sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo TR tonelada de refrigeração kgVP quilos de vapor kgOC quilos de óleo combustível Nm³ normais metros cúbicos (condições normais de pressão e temperatura) m³ARR metros cúbicos de ar resfriado
LISTA DE SÍMBOLOS AGC Área do duto para os gases de combustão de caldeira m²
C coeficiente de runoff [1]
CÁGUA custo da água (rede pública) US$/m3
CDÓLAR custo do dólar R$/US$
CEBCV custo da energia elétrica para bomba de condensado de vapor US$/mês
CEE custo da energia elétrica US$/kWh
CGN custo do gás natural R$/m³
COCV custo do óleo consumido para recuperação do condensado de vapor US$/mês
CÓLEO custo do óleo combustível US$/kgOC
CVP custo do vapor US$/Kg
CIAP custo total da inst. para aprov. da água de chuva US$/TRh
CIEE custo de energia elétrica para bombas, ventiladores e equipamentos US$/TRh
CIFC custo do insumo para a fonte de calor US$/TRh
CIRE custo dos insumos para os resfriadores evaporativos US$/TRh
CS carga térmica do sistema TR
CUI custo de utilização dos insumos US$/TRh
CO custo operacional dos sistemas US$/TRh
CPAG calor específico da água kJ/kg K
CPAR calor específico a pressão constante do ar seco kJ/kg K
CPGC calor específico dos gases de combustão da caldeira kJ/kg K
CTI custo total do investimento US$/TRh
D diâmetro do duto para os gases de combustão de caldeira m
GNC gás natural consumido m³/mês
f fator de anuidade 1/ano
he entalpia específica de entrada do condensado de vapor no trocador kJ/kg
hL entalpia específica do líquido saturado kJ/kg
hLV entalpia de vaporização kJ/kg
hs entalpia específica de saída do condensado de vapor no trocador kJ/kg
hV entalpia específica do vapor saturado kJ/kg
H período equivalente de utilização do sistema h/ano
IBB Investimento das bombas US$
ICE Investimento das unidades condensadora/evaporadoras US$
IDT Investimento dos dutos, grelhas e difusores US$
IMD Investimento do módulo dessecante US$
IRE Investimento dos resfriadores US$
IVE Investimento dos ventiladores US$
IIFC Investimento das instalações de insumo para fonte de calor US$
IIFR Investimento da instalação frigorígena US$
IIEE Investimento da instalação elétrica US$
IIRE Investimento das instalações da água para os resfriadores evaporativos US$
ITE Investimento total de equipamentos US$
ITI Investimento total das instalações de insumos US$
IPL Investimento total de implantação dos projetos US$
k tempo anos CVm& fluxo de massa do condensado de vapor kg/s
GCm& fluxo de massa do condensado de vapor kg/s
OCC óleo combustível consumido kg/mês
PARR preço do ar resfriado US$/TRh
PCV potência consumida para recuperação de condensado de vapor kJ/s
PINST potência instalada para o ar de reativação kJ/s
PREQ potência requerida para o ar de reativação kJ/s
PBCV potência da bomba de condensado kW
PBAP potência da bomba de água pluvial kW
PCGN poder calorífico do gás natural kJ/Nm³
PCÓLEO poder calorífico do óleo combustível kJ/Nm³
PCV pressão do condensado de vapor kPa
PVP pressão do vapor kPa
R receita US$/ano
r taxa de juros ao ano %
T temperatura ºC
TBS temperatura de bulbo seco ºC
TBU temperatura de bulbo úmido ºC
TC taxa de consumo de óleo combustível na caldeira kgVP/kgOC
TPO temperatura de ponto de orvalho ºC
ÁGUAV& vazão volumétrica de água utilizada nos resfriadores evaporativos m³/h
ARV& vazão volumétrica de ar m³/s
ARRV& vazão volumétrica média de ar resfriado m³ARR/h GCV& vazão volumétrica dos gases de combustão de caldeira m³/s
VGC velocidade dos gases de combustão de caldeira m/s CVbV& vazão volumétrica da bomba de condensado de vapor m³/s
APbV& vazão volumétrica da bomba para água pluvial m³/s
VPC vapor consumido kg/mês
vCV volume específico do condensado de vapor m³/kg
vGC volume específico dos gases de combustão m³/kg
vCV volume específico do condensado de vapor m³/kg
UBCV utilização da bomba de condensado h/mês
UBAP utilização da bomba de água pluvial h/mês
LETRAS GREGAS
εd efetividade do resfriador evaporativo direto (saturação) [1]
εi efetividade do resfriador evaporativo indireto [1]
? eficiência [1]
?AR massa específica kg/m³
? T diferença de temperatura ºC
SUMÁRO RESUMO 07
ABSTRACT 08 LISTA DE FIGURAS 09 LISTA DE TABELAS 10 LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 11 LISTA SÍMBOLOS 12
CAPÍTULO 1 CONTEXTO E IMPORTÂNCIA AMBIENTAL DA UTILIZAÇÃO DE
SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO E
DESUMIDIFICADORES ADSORTIVOS 1.1 INTRODUÇÃO 18
1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO 18
1.3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 19
CAPÍTULO 2 CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA EVAPORATIVO-ADSORTIVO 2.1 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO 23 2.1.1 Tipos de resfriadores evaporativos 25
2.2 DESUMIDIFICAÇÃO POR ADSORÇÃO 28 2.2.1 Tipos de desumidificadores 28 2.2.2 Sistema evaporativo com pré-desumidificação 29
2.3 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO-ADSORTIVO 30
2.3.1 Configuração do sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo (SISREAD) 31
2.3.2 Ciclo psicrométrico 32
CAPÍTULO 3 ANÁLISE DOS INSUMOS CONSUMIDOS NO SISTEMA DE
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO-ADSORTIVO 3.1 DADOS E CONSIDERAÇÕES DO PROJETO EM ANÁLISE 33
3.2 ANÁLISE DOS INSUMOS CONSUMIDOS NO PROCESSO DE
REATIVAÇÃO 33 3.2.1 Energia elétrica 34 3.2.2 Gás natural 35 3.2.3 Vapor 36 3.2.4 Condensado de vapor 37 3.2.5 Gases de combustão da caldeira 39 3.3 ANÁLISE DA ÁGUA CONSUMIDA NO PROCESSO DE
RESFRIAMENTO EVAPORATIVO 41 3.3.1 Água da rede pública 41 3.3.2 Aproveitamento da água de chuva 41 3.3.3 Dimensionamento da cisterna para aproveitamento da água de chuva 42 3.3.3.1 Precipitações de chuva 42 3.3.3.2 Dimensionamento do reservatório pelo método de Rippl 43 3.3.3.3 Dispositivos usados em reservatórios de armazenamento de chuva 43 3.3.3.4 Dimensionamento do reservatório de auto-limpeza 44 3.3.3.5 Custo total da instalação 45
CAPÍTULO 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO 4.1 SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR CONVENCIONAL 46 4.1.1 Composição de custos 46 4.2 SISTEMA DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO-ADSORTIVO 48 4.2.1 SISREAD com utilização de energia elétrica para reativação do
dessecante 49 4.2.2 SISREAD com utilização de gás natural para reativação do dessecante 51 4.2.3 SISREAD com utilização de vapor para reativação do dessecante 53
4.2.4 SISREAD com utilização de condensado de vapor para reativação do dessecante 56
4.2.5 SISREAD com utilização de gases de combustão de caldeira para
reativação do dessecante 58 4.2.6 SISREAD´s associados ao custo do aproveitamento da água de chuva
para os resfriadores evaporativos 60 4.3 ANÁLISE ECONÔMICA 60 4.3.1 Método utilizado para análise econômica 60 4.3.2 Amortização dos investimentos para os SISREAD´s ao longo do tempo 62 4.3.3 Retorno de investimento dos SISREAD´s 64 4.3.4 Análise econômica dos investimentos a longo prazo do Caso VI
comparado com o Caso I 66 4.3.5 Análise econômica para potência consumida nas fontes de calor utilizadas
nos SISREAD´s em ralação ao Caso II 66
CAPÍTULO 5 CONCLUSÕES 69
REFERÊNCIAS 71
APÊNDICE 75
18
CAPITULO 1 CONTEXTO E IMPORTÂNCIA AMBIENTAL DA UTILIZAÇÃO DE SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO E DESUMIDIFICADORES ADSORTIVOS
1.1 INTRODUÇÃO
O atual apelo mundial para a conscientização ecológica, coloca os estudos de engenharia
voltados para uma preocupação com a eco-eficiência, assumindo posições importantes perante o
uso de tecnologias que levam em conta o fator central que é o homem, seu conforto e sua relação
com o meio-ambiente. É evidente que o uso racional da água e o reaproveitamento máximo da
energia, principalmente nas indústrias, favorecem não só o lado financeiro e econômico, mas
também, o lado ambiental tendo como foco principal o desenvolvimento sustentável "permanente"
do homem no universo.
Conforme CAPRA (2003), “o capitalismo global não terá futuro se não for projetado para ser
ecologicamente sustentável e para respeitar os direitos e valores humanos”. É com essa consciência
que se propõe esse trabalho, acreditando que as atividades industriais podem desempenhar um
papel ecológico decisivo com respeito à existência, manutenção e qualidade de vida.
1.2 OBJETIVOS DO TRABALHO
Esse trabalho visa apresentar um sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo de uso
industrial, ecologicamente correto e, que possua um bom desempenho no resfriamento de
ambientes, tanto em condições de baixo como de alto índice de umidade relativa do ar.
Também é objetivo do trabalho analisar técnica e economicamente a implantação do sistema
proposto em uma instalação predial industrial, aproveitando a água de chuva coletada pelos telhados
e o calor residual de processos inerentes à própria indústria. Assim, é analisada a utilização de
insumos alternativos como fonte de calor para regeneração do adsorvente, quais sejam: a) energia
elétrica; b) gás natural; c) vapor; d) condensado de vapor; e) gases de combustão de caldeira.
19
1.3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
WATT (1963) realizou a primeira análise rigorosa dos sistemas evaporativos direto e indireto,
enumerando suas vantagens e desvantagens, indicando suas aplicações e estabelecendo
considerações sobre o projeto. Pode-se dizer que, a partir de seus trabalhos, a refrigeração
evaporativa começou a ser investigada cientificamente.
SCHIBUOLA (1997) comenta que, nas aplicações de ar condicionado tradicionais, nas quais a
serpentina de resfriamento desumidifica o ar, é possível aumentar a reutilização do ar de retorno
para recuperar energia. O sistema apresentado por ele utiliza o resfriamento evaporativo para pré-
resfriar o ar de retorno e trocadores de calor para resfriar o ar externo captado.
FOSTER (1998) apresenta dados de desempenho, de economia de energia, de benefícios e de
manufatura de sistemas evaporativos para diversas cidades nos EUA e no México.
CARDOSO et al (1999) desenvolveram um trabalho no qual é apresentado um sistema com
pré-desumidificação por adsorção e são feitos comentários a respeito de vaporização da água em
pressões abaixo da pressão atmosférica e da utilização de um sistema ar/vapor d’água/combustível
para aplicação automotiva.
CAMARGO & EBINUMA (2001) apresentam os princípios básicos de funcionamento e
considerações técnicas para a utilização do resfriamento evaporativo em condicionamento de ar
para conforto térmico humano, discorrendo a respeito de sistemas de resfriamento evaporativo
direto, indireto, multi-estágios e de sistemas híbridos. Apresentam, ainda, alguns benefícios
ambientais e econômicos resultantes da utilização eficiente desses sistemas.
YANJUN et al (2000) analisam um sistema hibrido composto de uma seção de
desumidificação por adsorção, resfriamento evaporativo e sistema por compressão de vapor e
demonstram que a produção de frio deste sistema aumenta de 20% a 30% e que o coeficiente de
desempenho aumenta de 20% a 40% quando comparado com o sistema por compressão de vapor.
ZHANG & NIU (2001), propõem um novo sistema de resfriamento com dessecante: um
controle ambiental com pré-resfriamento Munters (PMEC) que combina com os painéis de
resfriador de teto. Um modelo matemático do sistema é fornecido e usado para mostrar o
desempenho do sistema sob as condições de tempo do sudeste da China usando cálculos horários.
Os resultados indicam que o resfriador de teto combinado com climatização por dessecante poderia
conservar até 40% do consumo de energia preliminar, em comparação com um sistema
20
convencional de volume constante. Mais de 99% das horas anuais de operação para regeneração
do dessecante, poderia ser realizado pelo baixo calor requerido (temperatura menor que 80ºC) com
o pré-resfriamento, enquanto que 30% das horas anuais de operação em um sistema sem pré-
resfriamento necessitam de calor acima com temperatura acima dos 80ºC.
NIU et al (2001), propôs um sistema de HVAC combinado com um condicionador de teto
com climatização por dessecante para climas quentes e úmidos aonde a desumidificação do ar é
requerida e onde a umidade interna deverá ser mantida em uma zona de conforto, sendo reduzido o
risco de contaminação do condensado em painéis de resfriamento. Com esse sistema, o controle de
temperatura e umidade é amenizado pelo uso de roda dessecante para remoção de umidade e pelo
uso de painéis para controle de temperatura. Para avaliar o desempenho do sistema e a economia
de energia potencial, são considerados 3 outros sistemas para um escritório típico em Hong Kong:
sistema convencional, sistema com recuperação total de calor e resfriador de teto com AHU. Os
resultados indicam que condicionadores de teto combinados com climatização por dessecantes
podem economizar até 44% de energia primária consumida, em comparação ao sistema
convencional, sendo que mais de 70% das horas anuais de operação para dessecantes regenerativos
podem ser realizadas abaixo de 80ºC.
HALLIDAY et al (2002), analisam a viabilidade do uso de energia solar para regeneração de
dessecantes utilizados em condicionamento de ar tanto para resfriamento quanto para
desumidificação. Avaliam as instalações de sistema de resfriamento com dessecantes, instaladas no
sudeste e região central da Inglaterra e também na região central da Escócia. O artigo demonstra
que a energia solar é uma solução praticável para sistemas de resfriamento e aquecimento em
edifícios no Reino Unido.
MAVROUDAKI et al (2002), apresenta os resultados de um estudo em que um modelo de
dessecante solar foi usado para avaliar o uso da energia solar em um sistema de climatização por
dessecante em várias localidades no sul da Europa, já que estes sistemas foram usados somente no
norte da Europa. Esse estudo mostra que é praticável o uso de sistema de climatização por
dessecante com energia solar também nas partes do sul europeu, contanto que as cargas de calor
latente não sejam excessivas. Entretanto, se as umidades relativas forem elevadas, torna-se
praticável o uso de energia solar simplesmente porque as temperaturas requeridas serão excessivas.
DAOU et al (2004), fizeram uma revisão técnica sobre os sistemas de ar condicionado que
utilizam dessecantes, ressaltando sua aplicabilidade em diversos climas e mostrando também sua
comprovada vantagem em termos energéticos e economia de custo operacional. Ilustram com alguns
21
exemplos como sua tecnologia simples pode ser um complemento para melhorar a eficiência do
sistema de condicionamento de ar tradicional por compressão à gás, sistema de resfriamento
evaporativo e resfriamento radiante através de condicionadores de teto ou “chilled-ceiling”.
Mostram ainda que os materiais dessecantes, quando associados ao resfriamento evaporativo e o
“chilled-ceiling”, podem tornar esses sistemas aplicáveis sob diversas circunstâncias climáticas. Sua
contribuição na melhoria da qualidade do ar, na redução de custos, economia de energia e proteção
ambiental, faz com que o seu emprego seja mais atrativo no momento em que os recursos de energia
e degradação ambiental se tornam preocupações freqüentes no mundo globalizado. Ainda que o
condicionamento de ar por sistemas adsortivos seja penalizado pela energia requerida para sua
regeneração, essa revisão demonstra que a economia de energia é significativa pois permite o
emprego de energia solar e também de calor residual. Fazem também uma abordagem sob o ponto
de vista da qualidade do ar, ressaltando a sua capacidade de remover os poluentes e sua natureza
amigável com o meio ambiente, fazendo sua tecnologia mais apropriada e oportuna.
KANOGLU et al (2003), desenvolvem um procedimento para análise energética e exergética
aplicadas a uma unidade experimental que opera com ventilação natural tendo como dessecante a
peneira molecular (zeolite). Esses procedimentos podem ser facilmente aplicados às unidades que
operam no modo de recirculação e nesse estudo são apresentados parâmetros de coeficiente de
desempenho (COP) para eficiência dos componentes do sistema. São também derivadas a
destruição exergética e a eficácia da exergia para o sistema e seus componentes, bem como o
coeficiente de desempenho reversível. Esse procedimento mostra que a análise exergética pode
fornecer informação útil com respeito ao limite superior teórico do desempenho do sistema, que não
pode ser obtido pela análise simples da energia. A análise permite ainda que se identifique e
quantifique os locais com perdas de exergia e consequentemente mostra o sentido para minimização
de perdas exergéticas aproximando-se do COP reversível.
CAMARGO (2003) apresentou um estudo dos potenciais e limitações de sistemas de
condicionamento de ar por resfriamento evaporativo e evaporativo-adsortivo quando utilizados com
o objetivo de propiciar conforto térmico ao homem e reduzir o consumo de energia. Apresentou
também o princípio de funcionamento de sistemas de resfriamento evaporativo e de
desumidificadores por adsorção. Foram analisados os resultados obtidos nos ensaios de
desempenho de um resfriador evaporativo direto e propôs um novo sistema, na qual poderá ser
utilizado em regiões em que as condições de conforto não podem ser supridas apenas pelo
resfriamento evaporativo. Concluiu-se que a aplicação de sistemas de resfriamento evaporativo
acoplados a um desumidificador adsortivo apresentam perspectivas promissoras, principalmente
22
onde existem fontes de calor residual e de baixo custo disponível. Demonstrou-se a viabilidade da
utilização do sistema por ele proposto, para o conforto humano em regiões de clima úmido como
uma alternativa aos sistemas convencionais de condicionamento de ar, poupando energia e
protegendo o meio ambiente.
JEONG & MUMMA (2004), pesquisaram e desenvolveram correlações práticas da eficácia
da roda entálpica útil para projeto e análise do sistema integrado. Nesta pesquisa, os dados do
desempenho da roda entálpica foram analisados estatisticamente usando modelos fundamentais
estabelecidos. E então, as equações da regressão linear de primeira ordem foram derivadas para
estimar a eficácia sensível e latente da roda entálpica que opera em condições normais de
velocidades rotatórias (isto é sobre 20 RPM). Os dois materiais dessecantes mais comuns, a sílica
gel e a peneira molecular na carcaça de alumínio, foram analisados. Relacionam a eficácia sensível e
latente da roda entálpica em função de seis parâmetros: ar de entrada, ar de saída, temperatura,
umidade relativa, velocidade de face e a relação da vazão de ar. A eficácia da roda entálpica,
desprezando as condições do ar, pode então simplesmente ser estimada empregando as correlações
práticas. Nesta pesquisa os valores da eficácia obtidos foram bem correspondidos com os dados
publicados pelo fabricante de roda entálpica.
CUI et al (2005), analisaram as propriedades de novos dessecantes obtendo resultados
satisfatórios em relação aos dessecantes mais comumente usados, como a sílica-gel, cloreto de lítio
e a peneira molecular 13x. Embora a sílica-gel seja um dessecativo com desempenho elevado, esse
material pode também ter sua vida útil diminuída após uma grande adsorção de água e não é um
material resistente ao calor. O Cloreto de lítio pode adsorver muita água, mas a adsorção química
reduzirá a capacidade de resfriamento e o cloreto de lítio é corrosivo ao equipamento quando
alcança a saturação. Em seus estudos, chegaram ainda à conclusão de que esses novos dessecantes
pesquisados são apropriados em sistemas adsortivos na qual é operado com calor residual de baixa
temperatura ou de baixa qualidade.
23
CAPÍTULO 2 CONFIGURAÇÃO DO SISTEMA EVAPORATIVO ADSORTIVO
Neste capítulo é descrito os sistemas de resfriamento evaporativo e os sistemas de
desumidificação de ar por adsorção, assim como a conjugação de ambos, mostrando seu ciclo
psicrométrico e suas características.
O sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo, proposto por CAMARGO (2003), reúne
vantagens de ordem econômica, energética e ecológica, tais como:
• Possibilita grande redução no consumo de energia nas indústrias quando é utilizada fonte de
calor residual nos processos de reativação;
• É ecologicamente correto, pois não causa nenhum impacto ambiental, já que não utiliza gás à
base de CFC e HFC;
• Pode ser usado em diversas regiões mesmo naquelas em que as taxas de umidade relativa
do ar sejam altas;
• É de fácil manutenção, instalação e operação;
• Tem melhor qualidade do ar interior, pois retém fungos e bactérias, eliminando a
proliferação, problema constante nos sistemas convencionais de condicionamento de ar.
2.1 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO
O resfriamento evaporativo é um processo no qual um meio ou produto cede calor ocorrendo a
evaporação da água (REVISTA DO FRIO, 2005). O processo de evaporação de qualquer
produto é endotérmico, ou seja, é acompanhado de absorção de calor que pode ser forçada ou
induzida. A absorção é forçada quando é fornecido calor ao sistema e induzida quando é criado
condições para a transferência de calor. A torre de resfriamento é um exemplo na qual se tem
absorção de calor por uma pequena parcela de água que é induzida a evaporar, resfriando o
conteúdo restante da água por transferência de calor. Podem-se citar outros exemplos de
resfriamento evaporativo: em dias quentes uma chuva de verão pode trazer uma sensível diminuição
de temperatura; a sensação de frescor quando se passa álcool na pele e há a evaporação rápida do
24
produto; a sensação de resfriamento quando se lava as mãos e em seguida as abana; quando se
sente o ar mais fresco quando se está próximo a uma cachoeira e tantos outros exemplos.
Mas, o objeto desse estudo está mesmo no processo de resfriamento evaporativo induzido pela
aspersão da água em uma corrente de ar. Nesse caso, os fluidos de trabalho são o ar e a água e a
troca de calor é induzida de modo que o fluxo de ar ceda energia para a água evaporando-a,
tornando a corrente de ar mais fria após a passagem pelo resfriador. O ar atmosférico, que é
constituído de ar seco e vapor d´água, em uma dada temperatura e pressão tem a capacidade de
conter uma quantidade de vapor d´água que determina a porcentagem de umidade relativa. O termo
aqui usado “ar seco” é simplesmente para enfatizar o ar somente sem o vapor d´água (WYLEN &
SONNTAG, 1976). Quando o ar está saturado, ou seja, a sua capacidade de conter vapor d´água
está esgotada, diz-se que a umidade relativa está a 100%. Nesse caso os resfriadores evaporativos
não têm eficiência alguma, já que o ar está em sua saturação máxima. Porém, normalmente o ar se
encontra não saturado (<100%) e o resfriamento evaporativo será mais eficiente quanto mais seco
for o ar, possibilitando a absorção de umidade. Para que se tenha essa absorção é necessário que a
água utilizada mude o seu estado de líquido para vapor e para que ocorra esta mudança de fase a
água tem que retirar uma quantidade de energia do ar resfriando-o.
No projeto dos resfriadores evaporativos deve ser levado em consideração que a área de
contato entre os reagentes está relacionada com a velocidade da reação. Portanto, quanto maior for
a área de contato entre o ar e a água, maior será a velocidade de resfriamento. Um outro fator
importante a ser analisado é o uso dos resfriadores evaporativos nas diversas regiões de acordo
com a temperatura e umidade relativa do ar. Os resfriadores evaporativos se mostram mais
eficientes naquelas regiões onde as temperaturas são mais elevadas combinadas com as umidades
relativas do ar mais baixas justamente pelo fenômeno explicado acima. Obviamente que a diferença
de temperatura entre a água e o ar e a capacidade favorável de absorção da água devida a baixa
umidade, justifica essa eficiência quando a necessidade de resfriamento é maior para o conforto
humano. O conseqüente aumento de umidade do ar insuflado em sistemas de condicionamento de ar
é benéfico para o conforto humano evitando o ressecamento que os sistemas convencionais
proporcionam.
A aplicação do sistema de resfriamento evaporativo atinge uma gama de utilização muito maior
que os sistemas de condicionado de ar por expansão a gás e a ventilação tradicionais, uma vez que
sejam observadas as adequadas condições de temperatura e umidade, a renovação total do ar,
filtragem do ar, custos de instalação e operação. Além disso, é necessário atentar-se para a
25
qualidade da água que via de regra é recomendável que seja potável. Água com altos teores de
minerais deve ser evitada, pois os minerais tendem a ser retidos nas mantas ou colméias dos
resfriadores já que apenas a água pura evapora-se no processo de resfriamento evaporativo. Uma
purga continua deve ser prevista para evitar o aumento da incrustação. Quando a água está em
circulação a proliferação de fungos, algas e bactérias é bastante reduzida pela aeração da água e
pela ação do oxigênio como oxidante dos microorganismos. Porém, no caso do sistema estar
durante muito tempo parado é necessário que a água do reservatório seja substituída. O Ph da água
deverá estar entre 7 a 8 sendo aceitável de 6 a 9.
2.1.1 Tipos de resfriadores evaporativos
Há um tipo de resfriador na qual a água é pulverizada através de uma bomba de pressurização.
Nesses sistemas de aspersão são utilizados bicos que borrifam a água em forma de gotículas ou
névoas no ambiente através de bombas de média pressão ou por ejetor a ar comprimido. A grande
superfície exposta da água em contato com o ar facilita sua rápida absorção pelo ar, tendo sua
eficiência de umidificação próxima dos 100%. Porém, para se evitar a saturação e a conseqüente
"garoa" são instalados controles por temporizadores ou por umidostatos reduzindo sua eficiência a
valores na ordem de 50% (BASENGE, 2005).
Figura 2.1 – Sistema de resfriamento evaporativo com aspersão. Fonte: Climasystem
Outro tipo de resfriador utilizado é a evaporação feita através de superfícies de contato, ou
seja, empregando materiais com elevada superfície exposta. A água é aspergida na parte superior de
colméias ou mantas descendo por canais típicos que facilita a umidificação de todo o meio. O ar ao
ser atravessado transversalmente pela colméia ou manta umedecida absorve a umidade chegando
bem próxima da saturação. Fig. 2.2
26
Nesse sistema a evaporação da água ocorre dentro do equipamento e a água excedente fica em
recirculação. Outra vantagem é que nesse processo toda a poeira e sujeiras contidas no ar ficam
retidas na colméia ou na manta que é lavada constantemente pela água excedente.
Figura 2.2 – Sistema de resfriamento evaporativo através de colméia
Nos dois casos acima, chama-se de resfriamento evaporativo direto (RED), devido à
exposição direta do ar com a água ocorrendo a redução da temperatura de bulbo seco (TBS) e
também o aumento da umidade relativa do ar, mantendo constante a entalpia (resfriamento
adiabático). Assim a mínima temperatura que se pode atingir é a de bulbo úmido do ar que entra no
sistema.
A efetividade ou eficiência de saturação (ed) de um resfriador evaporativo direto é definida
como a taxa entre a queda real da temperatura de bulbo seco e a máxima queda teórica que a TBS
poderia ter se o resfriador fosse 100% eficiente e o ar saísse saturado. Neste caso, TBS na saída
seria igual à TBU do ar na entrada (TRANE, 1978). A efetividade é definida como:
ee
sed TBUTBS
TBSTBS−−
=ε (2.1)
onde os índices e e s correspondem à entrada e saída, respectivamente.
A Figura 2.3 ilustra o que ocorre com as temperaturas de bulbo seco (TBS), de bulbo úmido
(TBU) e de ponto de orvalho (TPO) quando o ar passa através de um resfriador evaporativo direto.
27
Figura 2.3 – Resfriador evaporativo tipo spray com circulação constante de água (CAMARGO,
2003)
Existe também o resfriamento evaporativo indireto (REI), na qual o ar que resfria o ambiente (ar
primário) é mantido sem o contato com a água, que fica separado do lado molhado, onde a água
está sendo evaporada. No resfriador evaporativo indireto (REI), o ar que é utilizado para
condicionar o ambiente transfere calor ou para uma corrente de ar secundária ou para um líquido,
que foram resfriados evaporativamente. A entalpia do ar do lado seco é reduzida em contraste à
redução adiabática de temperatura de um resfriador evaporativo direto na qual permanece
constante. A figura 2.4 mostra dois tipos de sistemas de resfriamento evaporativo indireto: tipo placa
(Figura 2.4 a) e tipo tubo (Figura 2.4 b).
Figura 2.4 – Resfriador evaporativo indireto: (a) tipo placa, (b) tipo tubo (CAMARGO, 2003)
A efetividade de um resfriador indireto (ei) é função das temperaturas do ar primário na entrada
e saída e da temperatura da água (que é, teoricamente, a temperatura de saturação do ar
secundário) e é apresentada por CAMARGO & EBINUMA (2002a) como sendo:
wpe
pspei TTBS
TBSTBS
−
−=ε (2.2)
28
onde ei é a efetividade da unidade indireta (ASHRAE, 1995) e os índices pe, ps e w correspondem,
respectivamente, à entrada do ar primário, à saída do ar primário e à temperatura da água.
2.2 DESUMIDIFICAÇÃO POR ADSORÇÃO
Adsorção é o termo usado para descrever o fenômeno no qual moléculas de um fluido
concentram-se espontaneamente sobre uma superfície sólida. O sólido sobre o qual ocorre a
adsorção denomina-se adsorvente, a espécie química retida pelo adsorvente denomina-se
adsorvato e o fluido em contato com a superfície denomina-se adsortivo. Os adsorventes ou
dessecantes mais utilizados são: dióxido de silício (SiO2 – sílica gel), cloreto de lítio (ClLi) e alumínia
ativada (Al2O3). Essas substâncias são depositadas em um substrato de fibra de vidro, celulose ou
alumínio. A energia calorífica para a reativação pode ser obtida por eletricidade (resistores
elétricos), vapor d´água, ar quente ou outra fonte de calor.
2.2.1 Tipos de desumidificadores
Existem várias configurações de desumidificadores dessecantes, mas os tipos mais utilizados
são: o tipo torre e o tipo cilindro rotativo.
A Figura 2.5 mostra um desumidificador dessecante tipo torre. Nesta configuração, um
dessecante sólido, tal como sílica gel, é depositado em uma torre vertical. O ar de processo passa
através da torre transferindo sua umidade para o dessecante seco. Após o dessecante ter se
saturado de umidade o ar de processo é desviado para uma segunda torre de secagem e a primeira
torre é aquecida e purgada de sua umidade través de uma corrente de ar de reativação. Como a
desumidificação e a reativação tem lugar em compartimentos selados separados a torre de
desumidificação é freqüentemente usada para gases de processo pressurizados. Esse sistema
permite atingir temperaturas de ponto de orvalho muito baixas (TORREY & WESTERMAN,
2002).
29
Figura 2.5 Desumidificador tipo torre (CAMARGO, 2003)
A Figura 2.6 mostra o esquema de um desumidificador tipo cilindro rotativo, também
conhecido como tipo “honeycomb” (HARRIMAN, 1990).
Nesta configuração utiliza-se um cilindro rotativo impregnado com o material dessecante. O
fluxo de ar externo passa através de uma parte do cilindro, sendo desumidificado, enquanto o fluxo
de ar de reativação, aquecido, circula em contracorrente, removendo a umidade.
Figura 2.6 Desumidificador tipo cilindro rotativo (CAMARGO, 2003)
2.2.2 Sistema evaporativo com pré-desumidificação
A tecnologia de sistemas de resfriamento evaporativo, acoplados a desumidificadores por
adsorção tem emergido recentemente como uma alternativa ou como um complemento aos sistemas
convencionais de refrigeração por compressão de vapor. Um sistema típico combina o sistema de
desumidificação, que utiliza um cilindro rotativo impregnado de material dessecante, com
resfriadores evaporativos diretos e indiretos, permitindo o fornecimento de ar filtrado e resfriado em
30
condições de temperatura, umidade e velocidade que propiciam conforto térmico ambiental, mesmo
em regiões de clima equatorial e tropical como o Brasil.
A Figura 2.7 ilustra tal sistema. Esses sistemas levam a uma grande economia de energia,
principalmente onde existem fontes de energia térmica facilmente disponíveis, onde o preço da
eletricidade é alto, onde a carga de calor latente é alta ou onde a temperatura de ponto de orvalho
requerida é baixa (CAMARGO; EBINUMA, 2002b).
Figura 2.7 – Resfriamento evaporativo com pré-desumidificação por adsorção (CAMARGO,
2003)
Em qualquer destas situações, o custo de utilização de um sistema de resfriamento por
compressão de vapor pode ser muito alto e um processo dessecante pode oferecer vantagens
consideráveis em termos de gastos com energia, custo inicial do equipamento e manutenção. Uma
outra vantagem de um sistema dessecante é a capacidade de reter mais que simplesmente vapor de
água, podendo remover bactérias e vapores orgânicos da corrente de ar, melhorando, assim, a
qualidade do ar interior.
Nos últimos anos vêm se desenvolvendo novas tecnologias relativas ao processo de
desumidificação por adsorção, aplicado ao resfriamento em sistemas de condicionamento de ar, tais
como apresentados por SHEN & WOREK (1996), BELDING & DELMAS (1997),
JALALZADEH-AZAR (2000), JALALZADEH et al (2000), VINEYARD et al (2000), JAIN et al
(2000a), JAIN et al (2000b) e ZHENQIAN & MINCHENG (2000).
2.3 SISTEMAS DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO-ADSORTIVO
Camargo (2003) apresenta uma nova proposta de um sistema evaporativo acoplado a um
desumidificador, apresentando perspectivas promissoras para condicionamento de ar para conforto,
31
mesmo naquelas regiões em que a umidade relativa do ar é alta, principalmente quando se tem calor
residual em sistemas de cogeração ou energia solar e insumos com custos mais baixos.
2.3.1 Configuração do sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo (SISREAD)
A Figura 2.8 mostra a configuração do sistema proposto e utilizado neste trabalho, que é
composto por um desumidificador dessecante rotativo acoplado a dois resfriadores evaporativos
diretos e a um indireto.
Nesta configuração o ar externo (T0: 31ºC) é primeiramente misturado com ar de retorno (T1:
28,8ºC) e passa pelo desumidificador perdendo calor latente (umidade) e ganhando calor sensível
(T2: 47,3ºC). Logo após o ar é resfriado primeiramente em uma unidade REI (T3: 29,4ºC) e após
em uma unidade RED (T4: 19,2ºC), sendo introduzido no ambiente condicionado em condições de
temperatura e umidade satisfatórias ao conforto térmico humano. O ar de reativação do adsorvente
é composto também de uma mistura de ar externo (T0: 31ºC) com ar de retorno (T5: 28,8ºC) que
primeiramente é resfriado em um RED (T6: 22,5ºC)e depois em um REI (T7: 40,5ºC). Em seguida
recebe calor de uma fonte que pode ser elétrica, vapor ou queima direta de um combustível
(normalmente gás natural ou biogás) ou calor residual do condensado de vapor proveniente de um
processo industrial (T8: 71,1ºC) para, em seguida passar pelo desumidificador, retirando a umidade
do material adsorvente.
O sistema de resfriamento evaporativo, tanto direto (RED) como indireto (REI), utiliza a
evaporação de água para resfriar uma corrente de ar. Assim, nesse sistema, os fluidos de trabalho
são o ar e a água, que nesse trabalho será estudado a utilização da água proveniente da rede pública
e proveniente de uma cisterna onde se armazena a água de chuva. O emprego de dessecantes nesse
sistema proposto é imprescindível para que o sistema de resfriamento evaporativo seja eficiente em
regiões de alto índice pluviométrico e alta umidade relativa do ar, justificando assim o estudo para
aproveitamento da água de chuva.
32
Figura 2.8 – Sistema de resfriamento evaporativo acoplado a um desumidificador
2.3.2 Ciclo psicrométrico
A Figura 2.9 mostra os processos psicrométricos que ocorrem para o ar de processo de
acordo com os pontos mostrados na Figura 3.3. O ponto 0 representa a condição externa de
projeto para cada cidade, o ponto r representa a condição do ar de retorno, o ponto 1 corresponde
à mistura de ar externo com ar de retorno, o ponto 2 é a saída do desumidificador, o ponto 3 é a
saída do REI e o ponto 4 é a saída do RED e é a condição do ar a ser insuflado no ambiente a ser
condicionado.
Figura 2.9 – Processos psicrométricos para o sistema proposto por Camargo (2003)
33
CAPITULO 3 ANÁLISE DOS INSUMOS CONSUMIDOS NO SISTEMA DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO-ADSORTIVO
Nesse capítulo analisa-se o emprego dos diversos insumos para fonte de calor no processo de
reativação, como a energia elétrica, gás natural, vapor, condensado de vapor e gases de combustão
de caldeira. Também será feita uma análise para o aproveitamento da água de chuva nos
resfriadores evaporativos.
3.1 DADOS E CONSIDERAÇÕES DO PROJETO EM ANÁLISE
O presente estudo baseia-se na análise de um dos casos estudados por CAMARGO (2003),
onde o sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo proposto é aplicado ao condicionamento de
ar em um ambiente com carga térmica de 10 TR, área de 200 m² e que requer uma vazão de ar de
1,67 m3/s, mantendo-se a temperatura do ambiente dentro dos valores recomendados pela NBR-
6401 da ABNT. Os parâmetros que variam nesse sistema são a relação ar de reativação por ar de
processo R/P = 0,847 (mínima) e a temperatura de reativação Treat = 71,1 ºC. O tempo de
operação do sistema será considerado como 240 h/mês. Vazão total de água para os sistemas de
resfriamento evaporativo igual a 13,72 l/h no fluxo de ar de processo e no fluxo de ar de reativação
igual a 28,52 l/h. A área de captação de chuva disponível é de 250 m² sobre telhado metálico e a
potência de aquecimento para reativação do adsorvente é 58,0 kW. A pressão do condensado de
vapor disponível após a troca de calor no processo industrial é de 180 kPa e para o vapor a
pressão disponível no aquecimento do ar de reativação é de 600 kPa. Os custos levantados para as
instalações pressupõem a disponibilidade dos insumos próximos fisicamente da planta.
3.2 ANÁLISE DOS INSUMOS CONSUMIDOS NO PROCESSO DE REATIVAÇÃO
A Munters do Brasil oferece equipamentos utilizando 03 tipos diferentes de insumos, para
aquecimento do ar de reativação para o mesmo modelo conforme catálogo comercial M162011
Rev. 2. O HCD-4500 EA utiliza energia elétrica (resistores), o HCD-4500 GA utiliza o gás natural
e o HCD-4500 SA utilizando vapor, sendo os dois últimos insumos usados através de trocador de
calor ou radiadores. Nesse estudo acrescenta-se ainda o uso de condensado de vapor e gases de
combustão de caldeira para o aquecimento, tendo considerado uma adaptação no trocador de calor
do equipamento HC-4500 SA pela “Munters”, para utilização desses insumos. O dólar adotado
34
nesse artigo foi tomado como referência o câmbio do dia 21/01/2005 sendo R$2,688 e o período
de funcionamento do sistema é de 240 horas mensais. A figura 3.1 mostra esquematicamente o
aquecimento mínimo que o ar de reativação deverá sofrer, ou seja, de 40,5 ºC (T7) para 71,1 ºC
(T8). A potência que deverá ser empregada para esse aquecimento será calculada pela equação
3.1, como segue:
TCPVP ARARARREQ ∆×××= ρ& (3.1)
56,30007,1129,167,1 ×××=REQP
Portanto, kWs
kJPREQ 5858 ==
Figura 3.1 – Esquema de aquecimento do ar de Reativação
3.2.1 Energia Elétrica:
CAMARGO (2003) considerou em seu estudo o modelo do dessecante HCD-4500 EA, na
qual utiliza a energia elétrica através de resistores para o aquecimento do ar de reativação que
necessita de 58 kW, tendo como eficiência da troca 95%.
A potência instalada necessária para a troca será:
kWP
P REQINST 05,61
95,000,58
===η
35
O custo da energia elétrica comprada da concessionária é de US$0,075/kWh (Bandeirante
Energia S. A.)
Custo do Insumo Consumido na fonte de calor: CIFC
mêsUS
CHPCI EEINSTFC90,098.1$
075,024005,61 =××=××=
O custo da instalação elétrica dos resistores (cabos, disjuntores, mão de obra) será incluído no
custo total da instalação do sistema de resfriamento e será tratado no capítulo IV.
3.2.2 Gás Natural:
Nesse caso adotou-se o modelo do dessecante como HCD-4500 GA, na qual utiliza gás
natural através de um trocador de calor indireto para o aquecimento do ar de reativação (potência
necessária de 58 kW), tendo como eficiência da troca estimada em 85%:
A potência instalada necessária para a troca será de:
skJP
P REQINST 24,68
85,058
===η
Custo do gás natural: CGN
Segundo a tabela de tarifas da Comgás (Companhia de Gás de São Paulo - jan/2005),
classifica-se este consumo através da classe 5 (1.000,01 a 5.000,00 m³) sendo que para o
segmento industrial no Vale do Paraíba o preço do gás é R$1,389862/m³.
Dados:
Poder Calorífico Inferior do Gás: PCGN=36.454 [kJ/Nm³]
Gás natural consumido: GNC
mêsm
PCHP
GNGN
INSTC
³36,1617
454.36360024024,68
=××
=×
=
36
Custo do Insumo Consumido na fonte de calor: CIFC
mês
USC
CGNCI
DÓLAR
GNCFC
84,960$688,2
596893,136,1617=
×=
×=
Deve-se considerar um investimento de instalação para o gás (válvulas, reguladores e
tubulações), que por pesquisa de mercado de equipamentos comerciais, chega-se em torno de
US$750,00(IIFC),
3.2.3 Vapor:
Para o vapor, o modelo equivalente do dessecante é o HCD-4500 SA, na qual utiliza o vapor
através de um trocador de calor indireto para o aquecimento do ar de reativação, tendo como
eficiência da troca estimada em 85%:
A potência instalada necessária para a troca será:
skJP
P REQINST 24,68
85,058
===η
Custo do vapor: CVP
Dados:
PVP = 600 [kPa];
hL = 692,87 [kJ/kg];
hV = 2.759,35 [kJ/kg];
Custo do óleo combustível: CÓLEO=US$0,2745/kgOC;
Poder calorífico inferior do óleo combustível: PCÓLEO=40.584,8 [kJ/kg];
Eficiência da Caldeira: η = 80%
Taxa de consumo de óleo combustível na caldeira (TC):
Entalpia de evaporação: KgkJ
hhh LVLV 48,066.287,69235,759.2 =−=−=
OC
VAPOR
LV
ÓLEO
Kgkg
h
PCTC 71,1580,0
48,066.28,584.40
=×==
37
Vapor consumido:
mêskg
HhP
VPLV
INSTC 3,531.283600240
48,066.224,68
=××=×=
Custo do Insumo Consumido: CIFC
VAPOR
ÓLEOVP kg
USTC
CC
017,0$71,15
2745,0===
mêsUS
XCVPCI VPCFC03,485$
017,03,531.28 ==×=
Para a instalação do vapor (purgadores, válvulas, tubulações e isolamento), levou-se em conta
um custo de pesquisa de mercado de equipamentos comerciais e chegou-se a US$1.200,00(IIFC).
3.2.4 Condensado de Vapor:
Para o uso de condensado de vapor no aquecimento do ar de reativação, os modelos
disponíveis para o dessecante deverão ter o trocador de calor adaptado pelo fabricante. A eficiência
de troca é estimada em 80%.
A potência necessária para a troca será:
skJP
P REQINST 5,72
80,058
===η
Custo do condensado de vapor:
Dados:
PCV = 180 [kPa];
he = 551,39 [kJ/kg];
CVm& = 1.250 kg/h (p/ tubulação Ø32 mm)
Para trocador de calor, o balanço energético é dado pela equação:
)( seCVINST hhmP −= &
(3.2)
38
Portanto,
)39,551(250.136005,72 sh−×=×
kgkJ
hs 59,342=
Caso não se queira retornar esse condensado e descartá-lo, deve-se levar em consideração
que será necessário repor esse volume na caldeira por água à 20ºC que deverá consumir uma
quantidade de energia para elevar a temperatura de 20 a 75ºC que é a temperatura final da troca de
calor. Portanto, o custo do volume da água e o custo de óleo combustível deverão ser computados
no caso de descarte.
Nesse estudo será levada em conta a captação de condensado e recalque para o tanque de
alimentação da caldeira através de uma bomba de 1,0 CV (0,735 kW), com vazão de 8,0 m³/h.
Utilização da bomba: UBCV
mês
hbV
HvmUB
CV
CVCVCV 48,38
8240001026,0250.1
=××
=××
= &&
O custo do insumo consumido nesse caso deve ser constituído pelo custo de energia elétrica
aplicada no recalque do condensado utilizado no SISREAD até o tanque de alimentação da caldeira
e pelo custo energético necessário para elevar a temperatura do condensado até os 98ºC que é a
temperatura adequada para o bombeamento do condensado.
Custo de energia elétrica na bomba de condensado de vapor: CEBCV
mêsUSCUBPBC EECVCVEBCV 12,2$075,048,38735,0 =××=××=
Potência consumida na recuperação do condensado de vapor (de 75 a 98ºC): ECV
TCPmP AGCVCV ∆××= &
)348371(184,4250.1 −××=CVP
hkJ
PCV 290.120=
Óleo combustível consumido para recuperação do condensado de vapor: OCC
5,40584240290.120 ×
=×
=ÓLEO
CVC PC
HPOC
39
mêskg
OC OCC 36,711=
Custo do óleo combustível para recuperação do condensado de vapor: COCV
ÓLEOCOCV COCC ×=
mêsUS
COCV27,195$
2745,036,711 =×=
Custo total do insumo para fonte de calor: CIFC
OCVEBCVFC CCCI +=
mêsUS
CIFC39,197$
27,19512,2 =+=
Para a instalação do condensado de vapor (válvulas, tubulações, reservatório, bomba e
isolamento), levou-se em conta um custo de pesquisa de mercado de equipamentos comerciais e
chegou-se a US$2.300,00(IIFC).
3.2.5 Gases de Combustão da Caldeira:
Para o uso dos gases de combustão da caldeira no aquecimento do ar de reativação, os
modelos disponíveis para o dessecante deverão ter o trocador de calor adaptado pelo fabricante. A
eficiência de troca é estimada em 80%.
A potência instalada necessária para a troca será:
skJP
P REQINST 50,72
80,058
===η
A vantagem do uso dos gases de combustão devido à queima do óleo combustível é que esse
insumo é um calor residual de processo, portanto há um reaproveitamento energético do sistema,
tornando o seu emprego mais barato. Esses gases são emitidos na atmosfera com uma temperatura
de 300 ºC, tendo uma mistura dos gases CO2, N2, O2 e SO2 e outros menos freqüentes. Foi
estudado nesse caso um sistema de geração de vapor através de uma caldeira, ATA MP810, com
capacidade de 6000 T/h. Os gases são expelidos através de um ventilador com capacidade de 110
m³/min com pressão estática de 652 mmca e 2290 rpm (dados de placa). Cabe aqui estudar a
possibilidade de fazer uso dos gases sem a necessidade de instalação de um outro ventilador
exclusivo para o SISREAD. Para isso deve-se calcular a vazão dos gases que deverá ser utilizada
no trocador de calor para o ar de processo.
40
É importante observar que a temperatura final dos gases após o trocador de calor não poderá
estar abaixo dos 200 ºC devido à presença de SO2, que apesar de uma pequena porcentagem
(cerca de 0,29%) pode durante o processo de combustão originar anidridos sulfuroso e sulfúrico.
Estes, por sua vez, em contato com o próprio vapor d’água presente na fumaça, são transformados
em H2SO3 (ácido sulfuroso) ou H2SO4 (ácido sulfúrico) os quais podem ocasionar corrosões ao
longo do duto (DUARTE, 2005).
Custo dos gases de combustão:
Dados:
CPGC = 0,86295 kJ/kg K;
Te = 300 ºC;
Ts = 200 ºC (mínima);
vGC = 0,85 m³/kg;
Cálculo da vazão do fluido necessário:
TCPmP GCGCINST ∆××= & (3.2)
Portanto,
)200300(86295,05,72 −×= xmGC&
skg
mGC 84,0=&
sm
vmV GCGCGC³
714,085,084,0 =×=×= &&
Cálculo do diâmetro do duto:
21428,00,5
714,0m
VV
AGC
GCGC ===
&
mD 426,041428,0
=×
=π
Tem-se, portanto o diâmetro do duto igual a 430 mm. A perda de carga equivalente aos 30 m
de dutos, as peças especiais, a chaminé e mais o trocador de calor é de aproximadamente 155 Pa
(MACINTYRE, 1990). Como se está desviando uma parte dos gases da chaminé existente e a
41
perda de carga é bem inferior à capacidade do ventilador, chega-se a conclusão que o desvio
poderá ser feito com o mesmo ventilador sem ter a necessidade de investimento de um outro
exclusivo para o aquecimento do ar de reativação.
Portanto, não haverá custos adicionais com energia elétrica, custos operacionais e de
manutenção. Nesse caso serão computados apenas os custos com o duto, trocador de calor,
chaminé e isolamento térmico que, por pesquisa de mercado de equipamentos comerciais e
serviços, chega-se a: US$3.500,00 (IIGC).
3.3 ANÁLISE DA ÁGUA CONSUMIDA NO PROCESSO DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO
Conforme visto no item 3.1, o consumo de água no fluxo de ar de processo é igual a 28,52 l/h e
na reativação igual a 13,72 l/h totalizando 42,24 l/h ( ÁGUAV& ). Apresenta-se neste momento a análise
econômica dos custos relativos ao consumo de água proveniente da rede pública e como opção o
aproveitamento da água proveniente da chuva. Cabe aqui estudar-se em um item separado, as
ocorrências de chuva na região da Vale do Paraíba, especificamente em Taubaté; e a partir da
vazão necessária, dimensionar a cisterna para utilização da água de chuva.
3.3.1 Água da Rede Pública:
O custo da água comprada da concessionária é de US$0,50/m³ (Fonte: Companhia de
Saneamento Básico do Estado de São Paulo – SABESP).
O custo total da água será de:
mêsUS
CHVCI ÁGUAÁGUARE07,5$
50,02401024,42 3 =×××=××= −&
Através de pesquisa de mercado de equipamentos comerciais, chega-se a um custo de
US$180,00(IIRE) para instalação de medidor, tubulações e válvulas.
3.3.2 Aproveitamento da água de Chuva:
A composição do custo mensal do consumo da água de aproveitamento de chuva para os
resfriadores evaporativos, será apenas o consumo de energia elétrica utilizada para o bombeamento
42
entre a cisterna e o reservatório, já que esse insumo provém de uma fonte gratuita. Tomou-se como
base uma bomba com vazão de 25 l/min, altura manométrica 20 m.c.a, monofásica e de 0,50 HP
(0,373 W).
A utilização da bomba será:
mêsh
bV
HVUB
AP
águaAP 76,6
602524024,42
=××
=×
= &
&
O custo total da energia elétrica para o sistema de aproveitamento da água de chuva será:
mêsUS
CUBPBCI EEAPAPRE19,0$
075,076,636775,0 =××=××=
3.3.3 Dimensionamento da cisterna para aproveitamento da água de chuva:
Foi pesquisado o índice pluviométrico na região de Taubaté através de registros feitos pelo
Instituto Nacional de Meteorologia e para o dimensionamento do reservatório (cisterna) que
atenderá o consumo de água pelos resfriadores evaporativos foi utilizado o método de RIPPL.
3.3.3.1 Precipitações de chuva:
Figura 3.2 – Índice Pluviométrico. Fonte: Inmetro http://www.inmet.gov.br/
43
Tabela 3.1 – Precipitações de chuvas em mm Precipitações em mm
Meses Jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez 230 195 170 65 50 30 30 35 75 125 150 210
3.3.3.2 Dimensionamento do reservatório pelo método de Rippl:
De acordo com TOMAZ (2003), o dimensionamento do reservatório se dará pela demanda
mensal que já se sabe que será de 10,14 m³, área de captação de chuva sobre telhado metálico em
torno de 250 m², coeficiente de runoff C=0,80, e tem-se pela tabela abaixo o volume de 12 m³.
Tabela 3.2 – Dimensionamento do Reservatório de água Dimensionamento do Reservatório - Método de RIPPL:
Chuva Média
Mensal
Área de Captação
Volume de Chuva Mensal
Demanda Constante
Mensal
Diferença entre os
volumes da demanda e
vol. de Chuva
Diferença Acumulada dos valores positivos
Meses
mm m² m³ m³ m³ m³
obs
janeiro 230 250 46,00 10,14 -35,86 E fevereiro 195 250 39,00 10,14 -28,86 E março 165 250 34,00 10,14 -23,86 E abril 65 250 13,00 10,14 -2,86 E maio 50 250 10,00 10,14 0,14 0,14 D junho 25 250 6,00 10,14 4,14 4,28 D julho 30 250 6,00 10,14 4,14 8,42 D
agosto 40 250 7,00 10,14 3,14 11,56 D setembro 75 250 15,00 10,14 -4,86 6,7 S outubro 125 250 25,00 10,14 -14,86 -8,16 E
novembro 150 250 30,00 10,14 -19,86 -28,02 E dezembro 210 250 42,00 10,14 -31,86 -59,88 E
Total 1360 273,00 121,68 OBS: E: água escoando pelo extravasor; D: nível de água baixado; S: nível de água subindo.
3.3.3.3 Dispositivos usados em reservatórios de armazenamento de chuva:
A 3P Technic Sistemas para Aproveitamento da Água de Chuvas é fabricante de diversos
dispositivos usados em reservatório de armazenagem de chuvas, conforme figuras 3.3 e 3.4:
44
Fig. 3.3 - Filtro Volumétrico e filtro para descida do tubo vertical (Fonte: 3P Technic)
Fig. 3.4 - Freio d´água, conjunto flutuante de sucção e sifão-ladrão (Fonte: 3P Technic)
3.3.3.4 Dimensionamento do reservatório de auto-limpeza:
Conforme TOMAZ (2003) utiliza-se como regra prática 1,00 l/m², portanto se tem-se uma
área de captação de 250 m², então deve-se considerar um reservatório de 250 l.
Como se trata de água para uso em ar condicionado para conforto humano, foi considerado
nesse trabalho um tratamento com uma filtragem adequada.
45
3.3.3.5 Custo total da instalação: CIAP
De acordo com TOMAZ (2003), pode-se tomar como base um custo de US$137/m³,
utilizando-se fibra se vidro enterrado, já sendo considerado o preço e instalação da bomba e apoio
civil. Tem-se, portanto para 12 m³: US$1644,00.
Dispositivos para o reservatório (consulta comercial: IDHEA – Instituto para o
Desenvolvimento da Habitação Ecológica): US$512,00
Reservatório 250 l: US$120,00
Filtros: US$200,00
Total da instalação: 00,2476$USCIAP =
46
CAPITULO 4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Nesse capítulo, faz-se uma análise detalhada dos investimentos de implantação necessários para
cada projeto, bem como seus custos mensais de operação e consumo energético. Faz-se uma
análise do tempo de amortização dos investimentos comparando os diversos projetos aqui
abordados. É feita também uma comparação entre os projetos utilizando-se o aproveitamento da
água de chuva nos resfriadores evaporativos e o quanto o custo do mesmo impacta no custo final
dos investimentos.
4.1 SISTEMA DE CONDICIONAMENTO DE AR CONVENCIONAL
Adota-se aqui um sistema de ar condicionado dimensionado para climatizar um ambiente de
200 m², com carga térmica de 10 TR, vazão de 1,67 m³/h, 2880 horas de funcionamento anual
conforme mencionado anteriormente. Foi escolhido um aparelho do tipo “self contained”, marca
“Springer Carrier”, modelo “New Generation” 40BX (condensador a ar incorporado), com
capacidade de 10,8 TR, vazão nominal de 6800 m³/h, 220 V trifásico, consumo 14,5 kW,
expansão à gás, refrigerante R22. Para fins comparativos chamou-se esse sistema de CASO I.
Tabela 4.1 Características técnicas do “self contained”. Fonte: “Springer Carrier”
4.1.1 Composição de custos
Foram levantados os custos do equipamento, da instalação frigorígena, da instalação de dutos,
da instalação elétrica e os custos envolvidos com manutenção, operação e consumo energético do
sistema.
47
Ø Investimento total de implantação do projeto (IPL): US$13.550,00
• Investimento total das instalações de insumos (ITI): US$2.350,00
- Instalação elétrica, que inclui cabos, disjuntores, painéis, considerando uma
potência elétrica instalada de 14,50 kW conforme fabricante e mão de obra
especializada: US$750,00;
- Instalação frigorígena, que inclui tubos de cobre, isolamento térmico das
tubulações, recarga de gás R-22 (caso necessário), testes no equipamento e
mão de obra especializada: US$1.600,00;
• Investimento total de equipamentos (ITE): US$11.200,00
- Fabricação e montagem de dutos, que inclui dutos de insuflamento e retorno,
isolamentos, difusores, grelhas de retorno, mão de obra especializada:
US$4.500,00;
- “Self Contained”, marca “Spring Carrier”, modelo “New Generation”
50BX (condensador a ar incorporado), com capacidade de 10,8 TR, vazão
nominal de 6800 m³/h, 220 V trifásico, consumo 14,5 kW, expansão à gás,
refrigerante R22: US$6.700,00;
Ø Preço do ar resfriado (PARR): US$0,1076/TRh
Para compor os custos do ar resfriado em US$/TRh, deve-se agregar todos os custos
mensais como as tarifas de cada insumo (CUI) e os custos operacionais que envolvem
manutenção e operação (CO).
• Custo de energia elétrica (CIEE):
- Nesse item foi considerada a energia elétrica que o sistema de ar condicionado
tipo “Self Contained” irá consumir que é cerca de 14,50 kW de potência
instalada (PISNT) com utilização de 240 h/mês e foi considerada uma tarifa de
US$0,075/kWh (Bandeirante Energia S. A.), chegando a um gasto de
US$161,00/mês. É interessante saber quanto é o gasto de cada TRh de ar
resfriado nesse sistema, portanto, tem-se o valor de: US$0,1007/TRh. Como
nesse sistema só existe a energia elétrica como insumo, o custo de utilização
dos insumos (CUI) terá o mesmo valor da energia elétrica consumida;
48
• Custo operacional do sistema (CO):
- Foi considerado um custo de US$18,00/mês com gastos de operação e
manutenção do sistema que nesse caso envolve mais partes mecânicas que os
sistemas de resfriamento evaporativo-adsortivo, tem-se, portanto o valor de:
US$0,0069/TRh.
A Tabela 4.2 mostra o resumo dos preços e custos levantados para o sistema de
condicionamento de ar através de um “Self Contained” de 10,8 TR.
Tabela 4.2 – Resumo dos Investimentos para um sistema de condicionamento de ar 10,8 TR
Vazão Média de Ar Resfriado ARRV& m3ARR/h 6.800
Horas anuais de Funcionamento H h/ano 2.880
Invest. Instalação Elétrica IIEE US$ 750,00
Invest. Instalação Frigorígena IIFR US$ 1.600,00
Investimento Total das Instal. dos Insumos ITI US$ 2.350,00
Dutos, grelhas e difusores (insufl. e retorno) IDT US$ 4.500,00
Unidades Condensadoras/Evaporadoras (R-22) ICE US$ 6.700,00
Investimento Total de Equipamentos ITE US$ 11.200,00
Investimento Total de Implantação do Projeto IPL US$ 13.550,00 PINST KW 14,50
US$/mês 261,00 Custo da energia elétrica para bombas, ventiladores, compressores, etc (não inclue a energia consumida para a reativação) CIEE
US$/TRh 0,1007
Custo de Utilização dos Insumos CUI US$/TRh 0,1007
US$/mês 18,00 Custo Operacional dos Sistemas CO US$/TRh 0,0069
Preço do Ar Resfriado PARR US$/TRh 0,1076
4.2 SISTEMA DE RESFRIAMENTO EVAPORATIVO-ADSORTIVO
Neste tópico serão apresentados os custos detalhados para implantação de projetos de
condicionamento de ar através de resfriamento evaporativo-adsortivo utilizando os diversos insumos
para reativação do dessecante como fonte de calor. Será abordado também o custo referente à
instalação de uma central de aproveitamento de água de chuva para os resfriadores evaporativos.
Para todos os sistemas de resfriamento evaporativo-adsortivo estudados, tem-se como
características uma vazão de 6000 m3/h de ar resfriado em 240 horas mensais de utilização e carga
térmica de 10 TR.
49
4.2.1 SISREAD com utilização de Energia Elétrica para reativação do dessecante
Chamou-se de CASO II o sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo (SISREAD) com
utilização de energia elétrica como fonte de calor de reativação do dessecante. Segue a composição
de custos:
Ø Investimento total de implantação do projeto (IPL): US$49.100,30
• Investimento total das instalações de insumos (ITI): US$2.980,00
- Instalação elétrica, que inclui cabos, disjuntores, painéis, considerando uma
potência elétrica instalada de 77,33 kW e mão de obra especializada:
US$2.800,00;
- Instalação da tubulação de água para os resfriadores evaporativos, que inclui
tubos, válvulas, hidrômetro e mão de obra especializada: US$180,00;
• Investimento total de equipamentos (ITE): US$46.120,30
- Fabricação e montagem de dutos, que inclui dutos de insuflamento e retorno,
isolamentos, difusores, grelhas de retorno, mão de obra especializada:
US$4.500,00;
- Bombas de recirculação de água para os resfriadores evaporativos:
US$117,68;
- Ventiladores: US$ 3.556,50;
- Resfriadores evaporativos: US$2.000,00;
- Módulo dessecante “Munters” (HCD-4500 EA): US$35.946,12;
Ø Preço do ar resfriado (PARR): US$0,4871/TRh
Para compor os custos do ar resfriado em US$/TRh, agrega-se todos os custos mensais
como as tarifas de cada insumo (CUI) e os custos operacionais que envolvem manutenção
e operação (CO).
50
• Custo dos insumos para a fonte de calor (CIFC):
- Nesse item foi considerada a energia elétrica que é utilizada nos resistores
elétricos para o aquecimento do ar de reativação que já foi discutida no
Capítulo III e que chegou-se ao valor de US$1.391,94/mês. O gasto de cada
TRh de ar resfriado nesse caso, tem-se o valor de: US$0,4579/TRh;
• Custo da água para os resfriadores evaporativos - rede pública (CIRE):
- Nesse item é considerada a utilização da água proveniente da rede pública
utilizada no sistema de resfriamento evaporativo. Conforme visto no Capítulo
III o custo dos 42,24 l/h necessários no sistema, terá um custo de
US$5,07/mês, implicando, portanto na quantia de US$0,0021/TRh. Esse
valor é igual para todos os sistemas nesse estudo que utiliza a água da rede
pública em seus resfriadores.
• Custo de energia elétrica (CIEE):
- A energia elétrica que esse sistema consume para bombas e ventiladores é
cerca de 2,94 kW de potência instalada (PISNT), chegando a um custo de
US$52,92/mês. Esse custo não inclui a energia elétrica gasta como fonte de
calor para o ar de reativação que já foi considerada separadamente, tem-se o
valor de: US$0,0221/TRh, que será igual aos outros sistemas de resfriamento
evaporativo-adsortivo, menos o que utiliza condensado de vapor, já que se
tem uma bomba adicional para o retorno de condensado para a caldeira.;
• Custo operacional do sistema (CO):
- Foi considerado um custo de US$12,00/mês com gastos de operação e
manutenção do sistema que nesse caso envolve menos partes mecânicas que o
sistema de condicionamento de ar por expansão à gás. Tem-se, portanto o
valor de: US$0,0055/TRh, considerado também para os outros sistemas de
resfriamento evaporativo.
A Tabela 4.3 mostra o resumo dos preços e custos levantados para o sistema de resfriamento
evaporativo-adsortivo que utiliza energia elétrica para reativação.
51
Tabela 4.3 – Resumo dos Invest. para um SISREAD com energia elétrica para reativação
Vazão Média de Ar Resfriado ARRV& m3ARR/h 6.000
Horas anuais de Funcionamento H h/ano 2.880
Invest. Instalação de Água p/ o Resfr. Evap. IIRE US$ 180,00
Invest. Instalação Elétrica IIEE US$ 2.800,00
Investimento Total das Instal. dos Insumos ITI US$ 2.980,00
Dutos, grelhas e difusores (insufl. e retorno) IDT US$ 4.500,00
Bombas IBB US$ 117,68
Ventiladores IVE US$ 3.556,50
Resfriadores Evaporativos IRE US$ 2.000,00
Módulo Dessecante IMD US$ 35.946,12
Investimento Total de Equipamentos ITE US$ 46.120,30
Investimento Total de Implantação do Projeto IPL US$ 49.100,30
US$/mês 1.098,90 Custo dos Insumos para a Fonte de Calor CIFC US$/TRh 0,4579
US$/mês 5,07 Custo da água para os Resfriadores Evaporativos (rede pública)
CIRE US$/TRh 0,0021
PINST KW 2,94
US$/mês 52,92 Custo da energia elétrica para bombas, ventiladores, compressores, etc (não inclue a energia consumida para a reativação) CIEE
US$/TRh 0,0221
Custo de Utilização dos Insumos CUI US$/TRh 0,482
US$/mês 12,00 Custo Operacional dos Sistemas CO US$/TRh 0,005
Preço do Ar Resfriado PARR US$/TRh 0,4871
4.2.2 SISREAD com utilização de gás natural para reativação do dessecante
Chamou-se de CASO III o sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo (SISREAD) com
utilização de gás natural como fonte de calor de reativação do dessecante. Segue a composição de
custos:
Ø Investimento total de implantação do projeto (IPL): US$47.650,30
• Investimento total das instalações de insumos (ITI): US$1.530,00
- Instalação da tubulação de gás natural, que inclui tubos, válvulas, reguladores e
mão de obra especializada, conforme visto no Capítulo III: US$750,00;
- Instalação elétrica (bombas e ventiladores), que inclui cabos, disjuntores,
painéis, considerando uma potência elétrica instalada de 2,94 kW e mão de
obra especializada: US$600,00;
52
- Instalação da tubulação de água para os resfriadores evaporativos, que inclui
tubos, válvulas, hidrômetro e mão de obra especializada: US$180,00;
• Investimento total de equipamentos (ITE): US$46.120,30
- Fabricação e montagem de dutos: US$4.500,00;
- Bombas de recirculação de água para os resfriadores evaporativos:
US$117,68;
- Ventiladores: US$ 3.556,50;
- Resfriadores evaporativos: US$2.000,00;
- Módulo dessecante “Munters” (HCD-4500 GA): US$35.946,12;
Ø Preço do ar resfriado (PARR): US$0,4295/TRh
Para compor os custos do ar resfriado em US$/TRh, serão agregados todos os custos
mensais como as tarifas de cada insumo (CUI) e os custos operacionais que envolvem
manutenção e operação (CO).
• Custo dos insumos para a fonte de calor (CIFC):
- Nesse item é considerado a utilização do gás natural para o aquecimento do ar
de reativação que já foi discutida no Capítulo III e que chegou-se ao valor de
US$960,84/mês. O gasto de cada TRh nesse caso, será de: US$0,4003/TRh;
• Custo da água para os resfriadores evaporativos - rede pública (CIRE):
- Idem aos outros sistemas de resfriamento evaporativo-adsortivo:
US$0,0021/TRh de ar resfriado.
• Custo de energia elétrica (CIEE):
- A energia elétrica que esse sistema consume para bombas e ventiladores é
cerca de 2,94 kW igual ao SISREAD anterior e que implica em:
US$0,0221/TRh;
• Custo operacional do sistema (CO):
- O custo foi considerado igual ao SISREAD anterior (US$12,00/mês):
US$0,005/TRh.
53
A Tabela 4.4 mostra o resumo dos preços e custos levantados para o sistema de resfriamento
evaporativo-adsortivo que utiliza gás natural para reativação.
Tabela 4.4 – Resumo dos Invest. para um SISREAD com gás natural para reativação
Vazão Média de Ar Resfriado ARRV& m3ARR/h 6.000
Horas anuais de Funcionamento H h/ano 2.880
Invest. Instal. de Insumos p/ Fonte de Calor IIFC US$ 750,00
Invest. Instalação de Água p/ o Resfr. Evap. IIRE US$ 180,00
Invest. Instalação Elétrica IIEE US$ 600,00
Investimento Total das Instal. dos Insumos ITI US$ 1.530,00
Dutos, grelhas e difusores (insufl. e retorno) IDT US$ 4.500,00
Bombas IBB US$ 117,68
Ventiladores IVE US$ 3.556,50
Resfriadores Evaporativos IRE US$ 2.000,00
Módulo Dessecante IMD US$ 35.946,12
Investimento Total de Equipamentos ITE US$ 46.120,30
Investimento Total de Implantação do Projeto IPL US$ 47.650,30
US$/mês 960,84 Custo dos Insumos para a Fonte de Calor CIFC US$/TRh 0,4003
US$/mês 5,07 Custo da água para os Resfriadores Evaporativos (rede pública) CIRE US$/TRh 0,0021
PINST KW 2,94
US$/mês 52,92 Custo da energia elétrica para bombas, ventiladores, compressores, etc (não inclue a energia consumida para a reativação) CIEE
US$/TRh 0,0221
Custo de Utilização dos Insumos CUI US$/TRh 0,4245
US$/mês 12,00 Custo Operacional dos Sistemas CO US$/TRh 0,005
Preço do Ar Resfriado PARR US$/TRh 0,4295
4.2.3 SISREAD com utilização de vapor para reativação do dessecante
Chamou-se de CASO IV o sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo (SISREAD) com
utilização de vapor como fonte de calor de reativação do dessecante. Segue a composição de
custos:
54
Ø Investimento total de implantação do projeto (IPL): US$48.100,30
• Investimento total das instalações de insumos (ITI): US$1.980,00
- Instalação da tubulação de vapor, que inclui tubos, válvulas, purgadores,
isolamento das linhas e mão de obra especializada, conforme visto no Capítulo
III: US$1.200,00;
- Instalação elétrica (bombas e ventiladores): US$600,00;
- Instalação da tubulação de água para os resfriadores evaporativos:
US$180,00;
• Investimento total de equipamentos (ITE): US$46.120,30
- Fabricação e montagem de dutos: US$4.500,00;
- Bombas de recirculação de água para os resfriadores evaporativos:
US$117,68;
- Ventiladores: US$ 3.556,50;
- Resfriadores evaporativos: US$2.000,00;
- Módulo dessecante “Munters” (HCD-4500 GA): US$35.946,12;
Ø Preço do ar resfriado (PARR): US$0,2313/TRh
Para compor os custos do ar resfriado em US$/TRh, todos os custos mensais como as
tarifas de cada insumo (CUI) e os custos operacionais que envolvem manutenção e
operação (CO) deverão ser considerados.
• Custo dos insumos para a fonte de calor (CIFC):
- Nesse item é considerado a utilização do vapor disponível próximo ao
ambiente climatizado, para o aquecimento do ar de reativação que já foi
discutida no Capítulo III e que chegou-se ao valor de US$485,03/mês. O
gasto com a energia nesse caso será: US$0,2021/TRh;
• Custo da água para os resfriadores evaporativos - rede pública (CIRE):
- Idem aos outros sistemas de resfriamento evaporativo-adsortivo:
US$0,0021/TRh de ar resfriado.
55
• Custo de energia elétrica (CIEE):
- A energia elétrica que esse sistema consume para bombas e ventiladores é
cerca de 2,94 kW igual ao SISREAD anterior e que implica em:
US$0,0221/TRh;
• Custo operacional do sistema (CO):
- O custo foi considerado igual ao SISREAD anterior (US$12,00/mês), tendo-
se, portanto o valor de: US$0,005/TRh.
A Tabela 4.5 mostra o resumo dos preços e custos levantados para o sistema de resfriamento
evaporativo-adsortivo que utiliza vapor para reativação.
Tabela 4.5 – Resumo dos Investimentos para um SISREAD com vapor para reativação
Vazão Média de Ar Resfriado ARRV& m3ARR/h 6.000
Horas anuais de Funcionamento H h/ano 2.880
Invest. Instal. de Insumos p/ Fonte de Calor IIFC US$ 1.200,00
Invest. Instalação de Água p/ o Resfr. Evap. IIRE US$ 180,00
Invest. Instalação Elétrica IIEE US$ 600,00
Investimento Total das Instal. dos Insumos ITI US$ 1.980,00
Dutos, grelhas e difusores (insufl. e retorno) IDT US$ 4.500,00
Bombas IBB US$ 117,68
Ventiladores IVE US$ 3.556,50
Resfriadores Evaporativos IRE US$ 2.000,00
Módulo Dessecante IMD US$ 35.946,12
Investimento Total de Equipamentos ITE US$ 46.120,30
Investimento Total de Implantação do Projeto IPL US$ 48.100,30
US$/mês 485,03 Custo dos Insumos para a Fonte de Calor CIFC US$/TRh 0,2021
US$/mês 5,07 Custo da água para os Resfriadores Evaporativos (rede pública) CIRE US$/TRh 0,0021
PINST KW 2,94
US$/mês 52,92 Custo da energia elétrica para bombas, ventiladores, compressores, etc (não inclue a energia consumida para a reativação) CIEE
US$/TRh 0,0221
Custo de Utilização dos Insumos CUI US$/TRh 0,2263
US$/mês 12,00 Custo Operacional dos Sistemas CO US$/TRh 0,005
Preço do Ar Resfriado PARR US$/TRh 0,2313
56
4.2.4 SISREAD com utilização de condensado vapor para reativação do dessecante
Chamou-se de CASO V o sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo (SISREAD) com
utilização de condensado de vapor como fonte de calor de reativação do dessecante. Segue a
composição de custos:
Ø Investimento total de implantação do projeto (IPL): US$51.077,61
• Investimento total das instalações de insumos (ITI): US$3.160,00
- Instalação da tubulação de condensado de vapor, que inclui tubos, válvulas,
reservatório, bomba, isolamento das linhas e mão de obra especializada,
conforme visto no Capítulo III: US$2.300,00;
- Instalação elétrica (bombas e ventiladores): US$680,00;
- Instalação da tubulação de água para os resfriadores evaporativos:
US$180,00;
• Investimento total de equipamentos (ITE): US$47.917,61
- Fabricação e montagem de dutos: US$4.500,00;
- Bombas de recirculação de água para os resfriadores evaporativos:
US$117,68;
- Ventiladores: US$ 3.556,50;
- Resfriadores evaporativos: US$2.000,00;
- Módulo dessecante “Munters” (HCD-4500 SA adaptado), considerado o
modelo para vapor com 5% de acréscimo para adaptação do trocador de
calor: US$37.743,43;
Ø Preço do ar resfriado (PARR): US$0,1169/TRh
Para compor os custos do ar resfriado em US$/TRh, todos os custos mensais como as
tarifas de cada insumo (CUI) e os custos operacionais que envolvem manutenção e
operação (CO) deverão ser considerados.
• Custo dos insumos para a fonte de calor (CIFC):
- Nesse item é considerado a utilização do condensado de vapor, energia
residual de um processo industrial disponível próximo ao ambiente que será
climatizado, para o aquecimento do ar de reativação que já foi discutida no
Capítulo III e que chegou-se ao valor de US$197,39/mês. O gasto com a
energia nesse caso, será: US$0,0822/TRh;
57
• Custo da água para os resfriadores evaporativos - rede pública (CIRE):
- Idem aos outros sistemas de resfriamento evaporativo-adsortivo:
US$0,0021/TRh.
• Custo de energia elétrica (CIEE):
- A energia elétrica que esse sistema consume para bombas e ventiladores é
cerca de 3,68 kW portanto implica em: US$0,0276/TRh;
• Custo operacional do sistema (CO):
- O custo foi considerado igual ao SISREAD anterior (US$12,00/mês), tendo-
se, portanto o valor de: US$0,005/TRh.
A Tabela 4.6 mostra o resumo dos preços e custos levantados para o sistema de resfriamento
evaporativo-adsortivo que utiliza condensado de vapor para reativação.
Tabela 4.6 – Resumo dos Invest. para SISREAD - condensado de vapor para reativação
Vazão Média de Ar Resfriado ARRV& m3ARR/h 6.000
Horas anuais de Funcionamento H h/ano 2.880
Invest. Instal. de Insumos p/ Fonte de Calor IIFC US$ 2.300,00
Invest. Instalação de Água p/ o Resfr. Evap. IIRE US$ 180,00
Invest. Instalação Elétrica IIEE US$ 680,00
Investimento Total das Instal. dos Insumos ITI US$ 3.160,00
Dutos, grelhas e difusores (insufl. e retorno) IDT US$ 4.500,00
Bombas IBB US$ 117,68
Ventiladores IVE US$ 3.556,50
Resfriadores Evaporativos IRE US$ 2.000,00
Módulo Dessecante IMD US$ 37.743,43
Investimento Total de Equipamentos ITE US$ 47.917,61
Investimento Total de Implantação do Projeto IPL US$ 51.077,61
US$/mês 197,39 Custo dos Insumos para a Fonte de Calor CIFC US$/TRh 0,0822
US$/mês 5,07 Custo da água para os Resfriadores Evaporativos (rede pública) CIRE US$/TRh 0,0021
PINST kW 3,68
US$/mês 66,24 Custo da energia elétrica para bombas, ventiladores, compressores, etc (não inclue a energia consumida para a reativação) CIEE
US$/TRh 0,0276
Custo de Utilização dos Insumos CUI US$/TRh 0,1119
US$/mês 12,00 Custo Operacional dos Sistemas CO US$/TRh 0,005
Preço do Ar Resfriado PARR US$/TRh 0,1169
58
4.2.5 SISREAD com utilização de gases de combustão de caldeira para reativação do dessecante
Chamou-se de CASO VI o sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo (SISREAD) com
utilização de gases de combustão da caldeira como fonte de calor de reativação do dessecante.
Segue a composição de custos:
Ø Investimento total de implantação do projeto (IPL): US$51.617,61
• Investimento total das instalações de insumos (ITI): US$3.700,00
- Instalação de duto, trocador de calor, isolamento e mão de obra especializada,
conforme visto no Capítulo III: US$2.920,00;
- Instalação elétrica (bombas e ventiladores): US$600,00;
- Instalação da tubulação de água para os resfriadores evaporativos:
US$180,00;
• Investimento total de equipamentos (ITE): US$47.917,61
- Fabricação e montagem de dutos: US$4.500,00;
- Bombas de recirculação de água para os resfriadores evaporativos:
US$117,68;
- Ventiladores: US$ 3.556,50;
- Resfriadores evaporativos: US$2.000,00;
- Módulo dessecante “Munters” (HCD-4500 SA adaptado), considerado o
modelo para vapor com 5% de acréscimo para adaptação do trocador de
calor: US$37.743,43;
Ø Preço do ar resfriado (PARR): US$0,0292/TRh
Para compor os custos do ar resfriado em US$/TRh, todos os custos mensais como as
tarifas de cada insumo (CUI) e os custos operacionais que envolvem manutenção e
operação (CO) deverão ser considerados.
• Custo dos insumos para a fonte de calor (CIFC):
- Não se aplica (ver Capítulo III);
59
• Custo da água para os resfriadores evaporativos - rede pública (CIRE):
- Idem aos outros sistemas de resfriamento evaporativo-adsortivo:
US$0,0021/TRh.
• Custo de energia elétrica (CIEE):
- A energia elétrica que esse sistema consume para bombas e ventiladores é
cerca de 2,94 kW portanto implica em: US$0,0221/TRh;
• Custo operacional do sistema (CO):
- O custo foi considerado igual ao SISREAD anterior (US$12,00/mês), tendo-
se, portanto o valor de: US$0,005/TRh.
A Tabela 4.7 mostra o resumo dos preços e custos levantados para o sistema de resfriamento
evaporativo-adsortivo que utiliza gases de combustão de caldeira para reativação.
Tabela 4.7 – Resumo dos Investimentos para SISREAD – gases de combustão para reativação
Vazão Média de Ar Resfriado ARRV& m3ARR/h 6.000
Horas anuais de Funcionamento H h/ano 2.880
Invest. Instal. de Insumos p/ Fonte de Calor IIFC US$ 2.920,00
Invest. Instalação de Água p/ o Resfr. Evap. IIRE US$ 180,00
Invest. Instalação Elétrica IIEE US$ 600,00
Investimento Total das Instal. dos Insumos ITI US$ 3.700,00
Dutos, grelhas e difusores (insufl. e retorno) IDT US$ 4.500,00
Bombas IBB US$ 117,68
Ventiladores IVE US$ 3.556,50
Resfriadores Evaporativos IRE US$ 2000,00
Módulo Dessecante IMD US$ 37.743,43
Investimento Total de Equipamentos ITE US$ 47.917,61
Investimento Total de Implantação do Projeto IPL US$ 51.617,61
US$/mês NA Custo dos Insumos para a Fonte de Calor CIFC US$/TRh NA
US$/mês 5,07 Custo da água para os Resfriadores Evaporativos (rede pública) CIRE US$/TRh 0,0021
PINST kW 2,94
US$/mês 52,92 Custo da energia elétrica para bombas, ventiladores, compressores, etc (não inclue a energia consumida para a reativação) CIEE
US$/TRh 0,021
Custo de Utilização dos Insumos CUI US$/TRh 0,024
US$/mês 12,00 Custo Operacional dos Sistemas CO US$/TRh 0,005
Preço do Ar Resfriado PARR US$/TRh 0,029
60
4.2.6 SISREAD´s associados ao custo do aproveitamento da água de chuva para os resfriadores evaporativos
Na utilização da água de chuva para os resfriadores evaporativos, deve-se considerar um
acréscimo no custo total de implantação do projeto de US$3.296,00, que é o investimento das
instalações para aproveitamento da água de chuva (US$3.476,00) menos o custo da instalação da
água proveniente da rede pública (US$180,00).
Com a implantação de uma cisterna (aproveitamento da água de chuva) o custo operacional
tende a subir, já que se está acrescentando ao sistema, equipamentos na qual requer cuidados de
limpeza, manutenção e operação, cerca de 25% acima do custo operacional utilizando a água
proveniente da rede pública, já tratada. Ainda assim, a implantação de um sistema que utiliza água
de chuva pode apresentar uma vantagem em sua aplicação, não só pela economia nos gastos com a
concessionária, impactando uma diminuição no preço total de ar resfriado (média de
US$0,0019/TRh:US$54,72/ano), mas principalmente na contribuição que o sistema oferece ao
meio ambiente no âmbito social e ecológico.
4.3 ANÁLISE ECONÔMICA
4.3.1 Método utilizado para análise econômica
Neste estudo foi adotado um método utilizado em análise econômica na área de cogeração que
permite investigações de rentabilidade de empreendimentos que são tomadas por base também
aspectos quantitativos do custo de produção dos insumos que são comparados com valores
oferecidos pelo mercado para uma decisão (BALESTIERI, 2002). Nesse caso estudado, faz-se
comparações entre energia elétrica e gás natural disponibilizadas pelas concessionárias e recursos
próprios como o vapor, o condensado de vapor, os gases de combustão de caldeira e também o
aproveitamento da água de chuva. As equações aqui apresentadas foram adaptadas de acordo com
o projeto estudado. Para análise econômica é necessário primeiramente levantarmos todos os
investimentos aplicados a cada projeto, aqueles na qual serão gastos no ato do investimento. Depois
é feito um levantamento de todos os custos fixos mensais, aqueles gastos que serão feitos de acordo
com o consumo energético, manutenção e operação. Esses custos mensais, aqui em dólares,
deverão ser em função de uma unidade específica, nesse estudo por unidade de potência para o ar
resfriado (TRh). Poderia ser também adotado outras unidades como, por exemplo, volume de
produção de ar resfriado (m³) ou por unidade energética (kJ).
61
As equações são apresentadas a seguir (BALESTIERI, 2002):
)( CTIPCSHR ARR −−××= (4.1)
COCUICSH
FIPLCTI ++
××
= (4.2)
1)1(
−−×
=k
k
qqq
F (4.3)
1001
rq += (4.4)
Onde, R é a receita (US$/TRh), PARR, o preço total de produção de ar resfriado (US$/TRh),
CTI o custo total do investimento usado para os insumos (US$/TRh), k igual ao tempo (anos) e F o
fator de anuidade (ano-1). Considerou-se uma taxa de juros de 12% ao ano (r=12%).
Quando se utilizam as equações acima, obtêm-se resultados de amortização ao longo do tempo
o que possibilita mostrar os resultados através de gráficos, onde cada curva representa um sistema
estudado. Dessa forma pode-se em primeiro lugar observar comportamento de vários sistemas
estudados ao mesmo tempo. Em segundo lugar observa-se que nenhuma curva “toca” ou “cruza” o
eixo “0”, isso porque esse eixo significa o retorno de investimento em um determinado tempo a
partir do qual o sistema começa a ter economia específica. Os cruzamentos dessas curvas com o
eixo “0” poderão ser obtidos quando o objeto de estudo tiver geração de energia própria,
comumente observada em sistemas de cogeração ou energia solar, eólica entre outras. O “espaço”
que falta para se chegar até o eixo “0”, nos casos aqui apresentados, representa o quanto esses
sistemas irão gastar com energia, manutenção e operação em longo prazo. Em outras palavras, seria
o custo que se teria que pagar a uma concessionária pela energia gasta e pelo custo operacional.
Nos casos aqui estudados, sempre se irá utilizar energia elétrica para acionar a bomba de
condensado de vapor para retorno à caldeira ou bomba de água para o aproveitamento de água de
chuva. No entanto, esses gráficos se tornam interessantes quando é comparado ou quando é feito a
diferença de gastos entre um sistema favorável e outro menos favorável. Nesse caso é possível
cruzar o eixo “0” indicando o tempo em que se pagará um investimento em relação ao outro
investimento. Essas situações favorecem uma tomada de decisão quando é estudado analiticamente
diversos investimentos propostos em uma indústria. Por convenção se irá chamar de amortização
dos investimentos ao longo do tempo quando estiver estudando sistemas separados e chamar de
retorno de investimento ou “pay back” quando se estiver comparando um sistema com outro.
Adequando-se a equação 4.1, propõe-se a equação 4.5 para se obter o retorno de investimento,
conforme segue:
62
)( CTIPPCSHR ARRCason
ARR −−××= (4.5)
Onde, CasonARRP é o preço do ar resfriado em um determinado caso n, no qual se está fazendo a
comparação.
Casos estudados:
Caso I: Sistema por compressão de vapor (R-22).
Caso II: Sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo com utilização de energia elétrica
para aquecimento do ar de reativação.
Caso III: Sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo com utilização de gás natural para
aquecimento do ar de reativação.
Caso IV: Sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo com utilização de vapor para
aquecimento do ar de reativação.
Caso V: Sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo com utilização de condensado de
calor para aquecimento do ar de reativação.
Caso VI: Sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo com utilização de gases de
combustão de caldeira para aquecimento do ar de reativação.
4.3.2 Amortização dos investimentos para os SISREAD´s ao longo do tempo
A Figura 4.1 abaixo mostra as características de cada sistema de resfriamento evaporativo-
adsortivo estudado nesse trabalho, sem considerar os investimentos relativos à implantação do
aproveitamento da água de chuva. Embora o custo do investimento do sistema na qual utiliza os
gases de combustão de caldeira para o fluxo ar de reativação (Caso VI) seja maior que os outros
sistemas de resfriamento evaporativo-adsortivo (em torno de US$51.600), pode-se perceber que a
curva dessa configuração é mais favorável que as outras por se tratar de uma energia mais
econômica em relação aos outros sistemas. É a curva que mais se aproxima do eixo “0”.
63
-90000
-80000
-70000
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Tempo (anos)R
ecei
ta (
US
$/an
o)
Caso II Caso III caso IV Caso V Caso VI
Figura 4.1 Amortização dos investimentos dos SISREAD´s sem aproveitamento da água de chuva
A Figura 4.2 mostra as mesmas características da Figura 4.1, porém considerando os investimentos
relativos à implantação do aproveitamento da água de chuva.
Observa-se que os investimentos são maiores comparando-se com as curvas da Figura acima,
porém, representam pouco em relação ao total dos investimentos. Cabe aqui citar duas
características favoráveis: a questão ecológica e a questão social. Os detalhes desses argumentos
não serão levados em consideração nessa sessão, mas está sendo citados apenas para chamar a
atenção quanto à importância que poderá ter esse investimento em indústrias na qual buscam
políticas claras de preservação ambiental e social.
64
-90000
-80000
-70000
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Tempo (anos)R
ecei
ta (
US
$/an
o)
Caso II Caso III caso IV Caso V Caso VI
Figura 4.2 Amortização dos investimentos dos SISREAD´s com aproveitamento da água de chuva
4.3.3 Retorno de investimento dos SISREAD´s
Cabe-se nesse momento, analisar economicamente o retorno de investimento de cada
SISREAD. Para tanto, é necessário comparar com o sistema menos favorável, para se ter uma
tomada de decisão. A comparação será, portanto com o SISREAD que se utiliza da energia elétrica
para aquecimento do ar de reativação.
As figuras 4.3 e 4.4, mostra que tanto para a implantação de cisterna para aproveitamento de
água de chuva ou não os resultados para o retorno de investimento são bem parecidos, 44 e 45
meses para utilização dos gases de combustão; 65 e 67 meses para a utilização do condensado de
vapor. Para a implantação do SISREAD´s utilizando o vapor como fonte de calor para reativação
do adsorvente, tem-se o retorno de investimento em torno de 20 anos, período no qual não se
registra retorno de investimento na utilização de gás natural.
65
-70000
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
200001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Tempo (anos)R
ecei
ta (
US
$/an
o)
Caso III caso IV Caso V Caso VI
Figura 4.3 Retorno de investimento dos SISREAD´s sem aproveitamento da água de chuva em
relação ao Caso II
-70000
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
200001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26
Tempo (anos)
Rec
eita
(U
S$/
ano
)
Caso III caso IV Caso V Caso VI
Figura 4.4 Retorno de investimento dos SISREAD´s com aproveitamento da água de chuva em relação ao Caso II
66
4.3.4 Análise econômica dos investimentos a longo prazo do Caso VI, comparado com o Caso I
Nesse item foi comparado o custo do Caso VI, que é o projeto mais favorável dos sistemas de
resfriamento evaporativo-adsortivo com o sistema convencional de condicionamento de ar.
Observa-se que o retorno de investimento se dá após 15 anos para o sistema de resfriamento
evaporativo-adsortivo com ou sem a implantação da cisterna e que a curva é mais acentuada que o
sistema convencional. Isso se dá pelo fato de que os custos mensais com os insumos são mais
baixos no Caso VI do que no sistema convencional. Embora o retorno de investimento esteja muito
acima do que é considerado viável nas industrias, além dos custos mensais mais baixos, deve-se
considerar a questão ambiental e social nas tomadas de decisão, o que tornam os investimentos mais
atrativos.
-55000
-50000
-45000
-40000
-35000
-30000
-25000
-20000
-15000
-10000
-5000
0
50001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Tempo (anos)
Rec
eita
(10x
US
$/an
o)
Caso VI S/ Cisterna Caso VI C/ Cisterna Caso I
Figura 4.5 Retorno de investimentos do Caso VI em relação ao Caso I
4.3.5 Análise econômica para energia consumida nas fontes de calor utilizadas nos SISREAD´s em relação ao caso II
Nesse tópico será levado em consideração apenas os insumos consumidos para a fonte de
calor para o fluxo de ar de reativação e a água consumida nos resfriadores evaporativos, água
67
proveniente da rede pública na Figura 4.6 e aproveitamento de água de chuva na Figura 4.7 bem
como suas instalações e operações.
Os demais insumos e investimento não serão tratados nessa análise, pois são custos iguais a
todos os sistemas, como bombas de recirculação de água nos resfriadores, ventiladores,
equipamentos, etc.
Na Figura 4.6, pode-se observar o comportamento das curvas dos SISREAD´s sem
aproveitamento da água de chuva em relação ao Caso II. O retorno de investimento do Caso VI se
dá no prazo de 3 meses, no Caso V em um prazo de 4 meses e para o Caso IV tem-se um prazo
de 13 meses. Para o Caso III, no período de 20 meses ainda não será possível retornar o
investimento.
-30000
-25000
-20000
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
150001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Tempo (meses)
Rec
eita
(U
S$/
ano
)
Caso III Caso IV Caso V Caso VI
Figura 4.6 Retorno de investimento dos SISREAD´s sem aproveitamento da água de chuva (apenas para fonte de calor).
Considerando um adicional de implantação de cisterna para aproveitamento de água de chuva,
o investimento inicial se torna mais alto e o retorno de investimento será dada em um prazo mais
longo, 7 meses para o Caso VI e para o Caso V, 31 meses para o Caso IV, conforme Figura 4.7.
Para o Caso III, em 30 meses ainda não será possível o retorno de investimento.
68
-70000
-60000
-50000
-40000
-30000
-20000
-10000
0
10000
200001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Tempo (meses)R
ecei
ta (
US
$/an
o)
Caso III Caso IV Caso V Caso VI
Figura 4.7 Retorno de investimento dos SISREAD´s com aproveitamento da água de chuva (apenas para fonte de calor).
69
CAPITULO 5 CONCLUSÕES
Conclusões
Mostrou-se aqui os principais tipos de resfriadores evaporativos (direto e indireto) e sistemas
acoplados, descreveu-se as características dos desumidificadores por adsorção e estudou-se as
características de um novo sistema evaporativo-adsortivo para condicionamento de ar proposto por
Camargo (2003).
Foi comentado que a aplicação desse sistema a diversas cidades, caracterizadas por diferentes
condições climáticas, é possível atingir a zona de conforto, tendo em vista as condições do ar que
será insuflado no ambiente. Isso demonstra a viabilidade da utilização desse sistema para conforto
térmico humano em regiões de clima úmido.
Os sistemas de resfriamento evaporativo acoplados a um desumidificador adsortivo apresentam
perspectivas promissoras, principalmente para aplicação em condicionamento de ar onde existem
fontes de calor de baixo custo ou calor residual disponível, como em sistemas de cogeração. Aqui
realizou-se cálculos utilizando-se diversos insumos como energia elétrica (resistores elétricos), gás
natural, vapor, condensado de vapor e gases de combustão de caldeira. Concluiu-se que é
vantajoso o uso dos gases de combustão de caldeira para o aquecimento do ar de reativação, pois é
um insumo na qual se obtêm calor residual com alta temperatura, capaz de aquecer o ar de
reativação na temperatura necessária (71,1ºC) sem a utilização de ventiladores ou qualquer outro
acessório que consuma outras energias. Ainda que os custos de implantação desse projeto sejam
mais alto que todos os outros tipos de fonte de calor aqui estudados, não há gastos mensais o que
traz resultados favoráveis. Pode se observar também que o condensado de vapor é um insumo
bastante interessante quando se tem disponibilidade. É o insumo que mais se aproxima das
vantagens que o aproveitamento dos gases de combustão tem por se tratar de calor residual de
processo com custo baixo mensal.
Estudou-se também o emprego da água de chuva para os resfriadores evaporativos. Foi
comentado que o seu emprego é justificado pelo fato de que esse sistema poderá ser utilizado em
qualquer região na qual a umidade relativa do ar seja alta, assim como em regiões caracterizadas
pelos altos índices pluviométricos, sendo o seu armazenamento facilitado nessas condições.
Mostrou-se como dimensionar uma cisterna de acordo com o índice pluviométrico da região
estudada. Com essa opção, puderam ser estudadas diversas configurações e foram feitas análises
70
comparativas chegando-se a conclusão de que o investimento inicial para implantação de um projeto
para aproveitamento da água de chuva, pode ser um bom negócio no ponto de vista econômico.
Isso se dá pelo fato de que o valor agregado em termos de custo é muito pequeno em relação ao
investimento global de cada sistema de resfriamento evaporativo-adsortivo. Mas, a política
ambiental e social que muitas indústrias buscam, torna esse investimento muito atrativo, ainda que o
retorno de investimento não seja a curto prazo.
Concluiu-se também que quando se estuda isoladamente a influência dos insumos e sua
instalação e operação, para a fonte de calor e também o aproveitamento da água de chuva, os
resultados são muito mais visíveis. Isso se dá pelo fato de não se computar os custos iguais para
todos os casos estudos aqui, como por exemplo, as bombas de recirculação de água nos
evaporadores, os evaporadores, o dessecante, os ventiladores o que torna o estudo mais específico.
Assim pode-se ter um gráfico mais aparente e perceptível em termos de comparação energética.
Como sugestão para futuros trabalhos nesta área pode-se citar:
1. Emprego de energia solar, eólica ou outro tipo de energia combinada, para recalque do
condensado de vapor para retorno na caldeira e para a bomba de recalque de água da
cisterna para os resfriadores evaporativos;
2. Estudo de implantação de projetos de aproveitamento de água de chuva em lajes, na
concepção de novos projetos arquitetônicos, de forma a evitar o uso de bomba de
recalque. Estudo da influência desses investimentos comparado à benefícios agregados aos
sistemas.
3. Estudos de materiais recicláveis e mais baratos para os dessecantes e resfriadores
evaporativos, contribuindo para diminuição de custos de implantação desses sistemas e
consequentemente para a diminuição no retorno dos investimentos comparados com o
sistema convencional.
71
REFERÊNCIAS
ABNT - ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS – NBR 6401 Instalações
Centrais de Ar Condicionado para Conforto – Parâmetros Básicos de Projeto.
ASHRAE – AMERICAN SOCIETY OF HEATING, REFRIGERATING AND AIR
CONDITIONING ENGINEERS. ASHRAE Handbook Applications, SI Edition, chap. 47, 1995.
BALESTIERI J. A. P. Cogeração: Geração combinada de eletricidade e calor. Florianópolis Ed da
UFSC, 2002; 279 p.
BASENGE TERMODINÂMICA. Artigos técnicos, critério de utilização da climatização por
resfriamento evaporativo. www.basenge.com.br, maio/2005.
BELDING W. A., DELMAS M. P. F. Novel desiccant cooling system using indirect evaporative
cooler, ASHRAE Transactions, vol. 103, part 1, 1997; p.841-847.
CAMARGO J. R., EBINUMA C. D. Resfriamento evaporativo: poupando a energia e o meio
ambiente. Anais da Jornada de Iniciação Científica e de Pós-Graduação, JORNADA 2001,
UNESP/FEG, Guaratinguetá, SP, 2001.
CAMARGO J. R., EBINUMA C. D. A mathematical model for direct and indirect evaporative
cooling air conditioning systems. Proceedings of the 9th Brazilian Congress of Thermal Engineering
and Sciences, ENCIT2002, Caxambú, MG, Brazil. 2002a.
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K (meses) F (1/ano) K (anos) CTI R CTI R12 1 1 0,54327418 -20246 1,82144049 -50197,36624 0,471698 2 0,31312723 -13087,50943 0,87457664 -22927,6873636 0,296349 3 0,23673896 -10711,52869 0,56030225 -13876,5849248 0,209234 4 0,19878879 -9531,126612 0,40416877 -9379,94069560 0,15741 5 0,17621212 -8828,901868 0,31128450 -6704,87352472 0,123226 6 0,16132036 -8365,708485 0,25001724 -4940,37658384 0,099118 7 0,15081807 -8039,045321 0,20680904 -3695,98023996 0,081303 8 0,14305728 -7797,653501 0,17487979 -2776,418033
108 0,067679 9 0,13712220 -7613,048943 0,15046188 -2073,182215120 0,056984 10 0,13246320 -7468,135424 0,13129396 -1521,146134132 0,048415 11 0,12873035 -7352,028728 0,11593636 -1078,847263144 0,041437 12 0,12569022 -7257,468743 0,10342878 -718,6288083156 0,035677 13 0,12318113 -7179,425994 0,09310595 -421,3314004168 0,030871 14 0,12108749 -7114,305385 0,08449235 -173,2598183180 0,026824 15 0,11932447 -7059,468447 0,07723899 35,63696669
Capacidade do Sistema
Horas anuais de Funcionamento
Custo da energia elétrica para bombas, ventiladores, compressores, etc (não inclue a energia consumida para a reativação)
Descrição
CIEE
CIRE
Invest. Instalação Frigorígena
Preço do Ar Resfriado
Invest. Instal. de Insumos p/ Fonte de Calor
Invest. Instalação de Água p/ o Resfr. Evap.
Investimento Total das Instal. dos Insumos
Custo de Utilização dos Insumos
Custo Operacional dos Sistemas
Custo da água para os Resfriadores Evaporativos (rede pública)
Unidades Condensadoras/Evaporadoras (R-22)
Investimento Total de Equipamentos
Investimento Total de Implantação do Projeto
CO
Fonte de Calor para Reativação
Custo dos Insumos para a Fonte de Calor CIFC
Bombas
Ventiladores
Resfriadores Evaporativos
Dutos, grelhas e difusores (insufl. e retorno)
Módulo Dessecante
Invest. Instalação Elétrica
CASO INA
10,8
2880
2350,00
11200,00
13550,00
0,100694444
NA
6700,00
NA
NA
NA
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0,006944444
0,10763889
NA
NA
750,00
1600,00
4500,00
NA
NA
NA
14,50
261,00
0,10
18,00
CASO VIGases de Combustão
10
2880
2920,00
180,00
600,00
NA
3700,00
4500,00
117,68
3556,50
2000,00
37743,43
NA
47917,61
51617,61
NA
NA
5,07
0,00211250
2,94
52,92
0,02
0,024162500
12,00
0,005000000
0,02916250
Retorno de Investimento - Sem Aprov. da Água de Chuva
Fator anuidade
Custo Inv. (US$/m³ARR)
Receita US$/ano
Custo Inv. (US$/m³ARR)
Receita US$/ano
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US$/TRhPINST kW
US$/mês
US$/TRhPINST kW
US$/mês
US$/TRh
CUI US$/TRh
US$/mês
US$/TRhPARR US$/TRh
K (meses) F (1/ano) K (anos) CTI R CTI R12 1 1 0,54327418 -20246 1,89912837 -52376,188224 0,47169811 2 0,31312723 -13087,50943 0,91014713 -23893,528436 0,29634898 3 0,23673896 -10711,52869 0,58189352 -14439,824348 0,20923444 4 0,19878879 -9531,126612 0,41881507 -9743,1651260 0,15740973 5 0,17621212 -8828,901868 0,32179921 -6949,1084372 0,12322572 6 0,16132036 -8365,708485 0,25780673 -5106,1249984 0,09911774 7 0,15081807 -8039,045321 0,21267658 -3806,3767296 0,08130284 8 0,14305728 -7797,653501 0,17932710 -2845,91152
108 0,06767889 9 0,13712220 -7613,048943 0,15382306 -2111,3951120 0,05698416 10 0,13246320 -7468,135424 0,13380253 -1534,80393132 0,0484154 11 0,12873035 -7352,028728 0,11776181 -1072,83119144 0,04143681 12 0,12569022 -7257,468743 0,10469787 -696,589879156 0,0356772 13 0,12318113 -7179,425994 0,09391588 -386,0684168 0,03087125 14 0,12108749 -7114,305385 0,08491914 -126,962359180 0,02682424 15 0,11932447 -7059,468447 0,07734314 91,22635246
Custo Inv. (US$/m³ARR)
Receita US$/ano
Custo Inv. (US$/m³ARR)
Receita US$/ano
Fator anuidade
0,005000000
0,02712816
Retorno de Investimento - Com Aprov. da Água de Chuva
52,92
0,022050000
0,022128163
12,00
0,37
0,19
0,000078163
2,94
47917,606
53913,606
NA
NA
3556,50
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37743,43
NA
NA
5996,00
4500,00
117,68
CASO VIsim
Gases de Combustão
10
2880
2920,00
2476,00
600,00
14,50
261,00
0,100694444
18,00
0,006944444
0,10763889
NA
NA
750,00
1600,00
4500,00
NA
NA
NA
11200
13550
0,100694444
NA
6700,00
NA
NA
NA
NA
NA
CASO INANA
10,8
2880
CIEE
Unidades Condensadoras/Evaporadoras (R-22)
Investimento Total de Equipamentos
Investimento Total de Implantação do Projeto
CIRE
Custo da água para os Resfriadores Evaporativos (Bomba da Cisterna)
Invest. Instalação Frigorígena
Invest. Instalação Elétrica
2350,00
CO
Fonte de Calor para Reativação
Custo dos Insumos para a Fonte de Calor CIFC
Bombas
Ventiladores
Resfriadores Evaporativos
Dutos, grelhas e difusores (insufl. e retorno)
Módulo Dessecante
Descrição
Preço do Ar Resfriado
Invest. Instal. de Insumos p/ Fonte de Calor
Invest. Instal. de Cisterna (Aprov. Água Pluv.)
Investimento Total das Instal. dos Insumos
Custo de Utilização dos Insumos
Custo Operacional dos Sistemas
Capacidade do Sistema
Horas anuais de Funcionamento
Custo da energia elétrica para bombas, ventiladores, compressores, etc (não inclue a energia consumida para a reativação)
Aproveitamento de água de chuva
1−= KqF 1 2,11 0 011 0 01 =+=+=q
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,485
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338
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671,
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13,9
2793
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1625
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0127
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-218
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-781
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466
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267,
5428
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-243
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0,5
0,71
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do autor.
Marco Antonio Medeiros dos Santos
Taubaté, agosto de 2005
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